Biología Juan Eduardo Panadero Cuartero Blanca Razquín Peralta Ana García Climent M.ª del Rosario Fuente Flórez
BACHILLERATO
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Biología Juan Eduardo Panadero Cuartero Blanca Razquín Peralta Ana García Climent M.ª del Rosario Fuente Flórez
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Estructura del libro Presentación
■ Fotografía y texto motivador. Fomenta el interés por reflexionar sobre los contenidos de la unidad. ■ Índice de contenidos. Enumeración de los contenidos que se desarrollan en la unidad.
Desarrollo de contenidos
La explicación de conceptos, principios y teorías se complementa con: Ilustraciones, esquemas y fotografías explicativas. Acompañan y complementan los textos de la unidad. Rutinas de competencias. Son secuencia de procedimientos rutinarios que complementan los contenidos y se repiten a lo largo de todas las unidades para trabajar las distintas competencias:
■ Observa. Se establecen relaciones, diferencias y analogías entre los distintos conceptos. Contribuye al desarrollo de las competencias en ciencia y tecnología y aprender a aprender. ■ ¿Lo sabías? Proporciona información complementaria o un dato sorprendente o peculiar que fomenta la formulación de preguntas. ■ Razona. Los conceptos y procedimientos ya trabajados se exponen de nuevo en contextos diferentes. Se desarrolla el espíritu crítico y la competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología y aprender a aprender.
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■ Historia de la ciencia. Muestra cómo influyen las ideologías de la sociedad en el desarrollo de la ciencia. Pretende enfatizar la igualdad de género y la no discriminación entre hombres y mujeres, y destacar el papel relevante que han desempeñado y desempeñan las mujeres en la ciencia que, con frecuencia, ha sido injustamente ignorado e infravalorado por gran parte de la comunidad científica. Contribuye al desarrollo de las competencias sociales y cívicas, comunicación lingüística y conciencia y expresión cultural. ■ Evidencia experimental. Son ejemplificaciones que destacan el carácter predictivo de la ciencia. Incluyen la fundamentación científica y tecnológica para diseñar y contrastar los experimentos y procedimientos. Se fomentan las competencias matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, sentido de iniciativa y espíritu emprendedor y aprender a aprender. ■ Síntesis. Resume los aspectos más importantes de la unidad.
Actividades Son ejercicios de aplicación directa de los contenidos para comprobar el grado de adquisición de conocimiento y desarrollar estrategias para resolver problemas.
Estructura del libro
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Estructura del libro Cierre Laboratorio y procedimientos Se propone un problema cuya solución requiere el diseño de experimentos sencillos, orientados a la utilización de los materiales del laboratorio de Biología, y la aplicación de los procedimientos del método científico que fomentan el trabajo colaborativo y, junto con las actividades Evidencia científica, Descubre y Webquest, contribuyen al enfoque STEM en educación. Contribuye al desarrollo de las competencias matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, sentido de iniciativa y espíritu emprendedor y aprender a aprender.
Actividades finales Es una página de ejercicios de consolidación de los contenidos, con dos niveles de dificultad (verde y rojo).
Debate y opina Son textos para debatir en el aula. Contribuye al desarrollo de la comunicación lingüística, las competencias sociales y cívicas, las competencias básicas en ciencia y tecnología, y en conciencia y expresiones culturales.
Webquest Son actividades que se llevan a cabo con recursos de internet para investigar, seleccionar y analizar información con la que desarrollar una tarea en un tiempo dado. Contribuye al desarrollo de la competencia digital, la competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, y aprender a aprender. 6
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ÍNDICE 1
Bioelementos y biomoléculas: agua y sales minerales
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1. Características de los seres vivos.............................................................................................. 2. Unidad en la composición química de los seres vivos................................................................................................................................................................................................................................... 3. El mundo orgánico: la idoneidad del carbono...................................... 4. El agua: la vida se apoya en su comportamiento anormal..................................................................................................................................................................................................................... 5. Biomoléculas inorgánicas.................................................................................................................................. 6. Ósmosis y presión osmótica........................................................................................................................ 7. Ionización del agua y escala de pH....................................................................................
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Hidratos de carbono
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1. Hidratos de carbono, carbohidratos o glúcidos ............................... 2. Monosacáridos .................................................................................................................................................................................. 3. Oligosacáridos: disacáridos ......................................................................................................................... 4. Polisacáridos .......................................................................................................................................................................................... 5. Glucoconjugados ........................................................................................................................................................................
Lípidos
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.........................................................................................................................................................................................................
1. Lípidos ....................................................................................................................................................................................................................... 2. Ácidos grasos ...................................................................................................................................................................................... 3. Triacilgliceroles o grasas .................................................................................................................................. 4. Ceras .............................................................................................................................................................................................................................. 5. Lípidos complejos o de membrana .................................................................................... 6. Terpenos o isoprenoides ..................................................................................................................................... 7. Esteroides ........................................................................................................................................................................................................
Proteínas
......................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
1. Proteínas ............................................................................................................................................................................................................. 2. Niveles de organización estructural de las proteínas ............................................................................................................................................................................ 3. Propiedades de las proteínas ............................................................................................................... 4. Clasificación de las proteínas ............................................................................................................. 5. Funciones biológicas de las proteínas ..................................................................... 6. Enzimas: biocatalizadores ...............................................................................................................................
5 Ácidos nucleicos
..............................................................................................................................
1. ácidos nucleicos ......................................................................................................................................................................... 2. Ácido desoxirribonucleico (ADN) ................................................................................................ 3. Otros niveles de complejidad del ADN ..................................................................... 4. Ácido ribonucleico (ARN) .................................................................................................................................. 5. Funciones biológicas de los ácidos nucleicos .................................
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7 8 10 15 18 24 25 26 31 32 33 42 44 48 55 56 57 60 62 62 66 67 73 74 76 84 86 87 89 101 102 104 109 112 115
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Organización celular
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.................................................................................................
1. Modelos de organización .................................................................................................................................. 2. Funciones vitales de la célula ......................................................................................................... 3. Técnicas instrumentales: métodos de estudio de las células ..................................................................................................................................................................................... 126
Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto
....................................................................................
1. Biomembranas .................................................................................................................................................................................. 2. Membrana plasmática ............................................................................................................................................... 3. Matriz extracelular ................................................................................................................................................................ 4. Citoplasma .................................................................................................................................................................................................... 5. Citoesqueleto .........................................................................................................................................................................................
8
Sistemas internos de membrana
........
1. Sistemas internos de membrana.................................................................................................. 2. Estructuras específicas de las células vegetales........................
9 El metabolismo celular
...............................................................................
1. El metabolismo celular .......................................................................................................................................... 2. Catabolismo de los glúcidos .................................................................................................................. 3. Catabolismo de los lípidos ........................................................................................................................... 4. Catabolismo de las proteínas ............................................................................................................... 5. Procesos anabólicos ........................................................................................................................................................ 6. Anabolismo autótrofo: la fotosíntesis ............................................................................
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119 120 125
135 136 139 145 146 149 157 158 166 175 176 180 189 191 193 194
El núcleo y la división celular: mitosis y meiosis
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207 1. El ciclo celular ................................................................................................................................................................................. 208 2. El núcleo interfásico ....................................................................................................................................................... 211 3. El núcleo mitótico: cromosomas ................................................................................................. 214 4. División celular: mitosis y citocinesis ......................................................................... 216 5. Meiosis ..................................................................................................................................................................................................................... 220 .......................................................................................................................
Genética clásica o mendeliana
229 1. El lenguaje de la herencia ........................................................................................................................... 230 2. Genética: la herencia de los caracteres ............................................................... 232 3. Herencia dominante de un solo carácter: monohíbridos ........................................................................................................................................................................................ 237 4. Herencia simultánea de dos caracteres: dihíbridos ........... 240 5. Ampliación de la genética mendeliana ................................................................ 242 6. Teoría cromosómica de la herencia ................................................................................. 246 7. Genética humana ..................................................................................................................................................................... 247 ..................
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
......................................................................................................................................................................................................
1. Genética molecular ............................................................................................................................................................ 2. Replicación de la doble hélice: biosíntesis del ADN .................................................................................................................................................................................................................. 3. Replicación del ADN en bacterias .......................................................................................... 4. Replicación del ADN en células eucariotas ............................................... 5. Del gen a la proteína .................................................................................................................................................... 6. La expresión de los genes ............................................................................................................................ 7. La transcripción en eucariotas: síntesis del ARNm en el núcleo ............................................................................................................................................................................................ 8. Trascripción y retrotranscripción en virus ...................................................... 9. El genoma ......................................................................................................................................................................................................
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Genética molecular II: traducción del ARNm (síntesis de proteínas)
............................................................................
255 256 258 259 264 266 268 270 275 277
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...........................................................................................................................
305
1. Las mutaciones .............................................................................................................................................................................. 306 2. Agentes mutágenos ........................................................................................................................................................... 308 3. Sistemas de reparación del ADN ................................................................................................ 312 4. Mutaciones con efectos perjudiciales ........................................................................ 313 5. Las mutaciones y el cáncer ..................................................................................................................... 314 6. Las mutaciones y el envejecimiento ............................................................................. 318 7. Mutaciones con efecto beneficioso: evolución .......................................................................................................................................................................................................... 319
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333 1. ¿Qué es la biotecnología? .............................................................................................................................. 334 2. La ingeniería genética ............................................................................................................................................... 335 3. Organismos genéticamente modificados (OGM) ............................ 338 4. Genómica ......................................................................................................................................................................................................... 342 5. Proteómica ................................................................................................................................................................................................... 345 6. Células madre o troncales ............................................................................................................................ 347 7. Hacia una nueva medicina ......................................................................................................................... 350 8. Bioética .................................................................................................................................................................................................................. 352 ......................................................................................................................................................
Microbiología I: virus, bacterias, algas, hongos y protozoos
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1. Traducción: descodificación del ARNm ................................................................... 284 2. La función de intérpretes de los ARNt ....................................................................... 286 3. Etapas de la traducción del ARNm en eucariotas ........................................................................................................................................................................................ 289 4. Plegamiento postraduccional de las proteínas: chaperonas moleculares .................................................................................................................................... 293 5. Exportación y destino de las proteínas .................................................................... 294 6. Regulación de la expresión génica en eucariotas ........................................................................................................................................................................................ 295 7. El epigenoma humano ............................................................................................................................................. 300
Las mutaciones. Evolución, cáncer y envejecimiento
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Biotecnología
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357 1. Concepto de microorganismo .............................................................................................................. 358 2. Clasificación de los microorganismos ....................................................................... 360 3. Virus: en el límite de la vida ................................................................................................................ 361 4. Otras formas acelulares ........................................................................................................................................ 369 5. Dominio Eukarya: microorganismos eucariotas .............................. 370 6. Dominio Bacteria: eubacterias ........................................................................................................... 372 7. Dominio Archaea: arqueobacterias ....................................................................................... 379 ....................................................
Microbiología II: fisiología y ecología de los microorganismos
383 1. Fisiología de las bacterias ............................................................................................................................ 384 2. Crecimiento microbiano ........................................................................................................................................ 388 3. Ecología microbiana: microorganismos y ecosistemas ................................................................................................. 391 4. Microbiología industrial y biotecnología ............................................................. 399 5. Biorremediación ........................................................................................................................................................................... 403 .........................................................................................................................
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El sistema inmunitario y la inmunidad
407 1. El sistema inmunitario .............................................................................................................................................. 408 2. Respuesta inmunitaria innata .............................................................................................................. 411 3. Respuesta inmunitaria adaptativa .......................................................................................... 416 4. Anticuerpos ................................................................................................................................................................................................ 423 5. Inmunización activa y pasiva .............................................................................................................. 427 6. Inmunodeficiencias: el sida ...................................................................................................................... 428 7. Reacciones de hipersensibilidad ............................................................................................... 429 8. Sistema inmunitario y cáncer ............................................................................................................. 430 9. Autoinmunidad ................................................................................................................................................................................. 432 10. Inmunología de los trasplantes ................................................................................................. 433 ...............................................................................................................................................
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La ARN polimerasa II transcribe ADN a ARN.
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 1 Genética molecular 2 Replicación de la doble hélice: biosíntesis del ADN 3 Replicación del ADN en bacterias 4 Replicación del ADN en células eucariotas 5 Del gen a la proteína 6 La expresión de los genes 7 La transcripción en eucariotas: síntesis del ARNm en el núcleo 8 Transcripción y retrotranscripción en virus 9 El genoma
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«... Las enzimas son como los obreros de una cadena de montaje, cada una especializada en un trabajo molecular concreto... Pero las enzimas no dirigen el espectáculo. Reciben sus instrucciones —y de hecho ellas mismas son construidas así— mediante órdenes enviadas por los que controlan. Las moléculas que mandan son los ácidos nucleicos. Viven secuestrados en una ciudad prohibida en lo más profundo de todo, en el núcleo de la célula». Carl Sagan, Cosmos. Ed. Planeta
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1 Genética molecular Cigoto
La metodología experimental de la genética clásica se remonta desde el fenotipo al genotipo, es decir, desde las funciones que desempeñan las proteínas hasta los genes responsables de su síntesis. La genética molecular utiliza la vía inversa, pues parte del genotipo (conoce la secuencia de bases de un gen) y deduce el fenotipo (la secuencia de aminoácidos de una proteína que desempeña una actividad biológica determinada).
Embrión
Eritrocito
Célula pigmentada del iris
Neurona
Genotipo y fenotipo. Las células embrionarias poseen el mismo genotipo (los mismos genes), ya que proceden de mitosis sucesivas del cigoto; pero no todas manifiestan el mismo fenotipo, pues los genes no se expresan por igual en cada una de las células cuando se especializan y forman parte de un tejido. Por ejemplo, los genes para la hemoglobina solo se expresan en los eritrocitos.
La genética clásica ha dado respuesta al interrogante sobre el tipo de condensación que deben experimentar los caracteres de los progenitores para que puedan ser transmitidos a través del óvulo de la madre y del espermatozoide del padre. Pero la genética molecular continúa haciéndose preguntas sobre el tipo de descondensación que deben experimentar estos caracteres heredados durante el desarrollo embrionario del cigoto, hasta convertirse en los caracteres de los descendientes. ¿Qué son los genes? ¿Qué tipo de información contienen? ¿Cómo se expresa esa información durante el desarrollo embrionario para que se manifiesten las características heredadas en los descendientes? La genética molecular da respuesta a estos interrogantes cuando descubre la relación existente entre las proteínas y los ácidos nucleicos. Desde principios de los años cuarenta hasta la década de los setenta del siglo pasado se sucedieron una serie de brillantes experimentos con nuevos materiales biológicos, como la bacteria Escherichia coli, que permitieron identificar la naturaleza molecular del gen. Se demostró que los genes no eran proteínas, como sostenían algunos investigadores, sino moléculas de ADN. Se diseñó un modelo de la molécula de ADN en forma de doble hélice que describía perfectamente su estructura química y permitía explicar las dos funciones esenciales del gen: almacenar y expresar la información necesaria para que un individuo desarrolle todos los caracteres y transmitir esa información de generación en generación. El ADN se replica y heredamos copias del ADN paterno y materno (el genotipo), en cuyas moléculas se localizan los genes. Estos poseen mensajes codificados y, cuando se expresan (se transcriben y se traducen) se forman las diversas proteínas, que vienen a ser como los peones que ejecutan sus órdenes y ponen de manifiesto los caracteres heredados (el fenotipo).
Doble hélice de ADN
Genotipo AA o Aa
Mutación
Genotipo aa
Transcripción
Transcripción ARNm*
ARNm Traducción
E
Hebras molde
S Hebras hijas
E*
Enzima Melanina
Sustrato
S
Enzima mutada No melanina
Sustrato
Fenotipo pigmentación normal
Esquema de la replicación del ADN. «No se nos ha escapado a nuestra atención que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia del DNA». J. H. Watson y F. Crick.
Traducción
Fenotipo albino
Genotipo responsable del fenotipo albino. Los individuos de genotipo recesivo aa poseen los dos alelos mutados y no producen la enzima funcional responsable de la síntesis de melanina, por lo que son albinos. Los genotipos dominantes AA o Aa son responsables del fenotipo pigmentación de la piel normal ya que poseen al menos una copia del alelo A, que es normal y, cuando se expresa, da lugar a la enzima que cataliza la síntesis de melanina.
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HISTORIA DE LA CIENCIA
1 ¿Qué metodología experimental utiliza la genética molecular?
Tras la pista de la naturaleza molecular del gen
2 ¿Por qué era errónea la teoría del tetranucleótido?
Durante mucho tiempo se creyó que los genes debían ser proteínas, ya que eran mucho más complejas y variadas que las simples moléculas de ADN formadas solo por cuatro tipos de bases nitrogenadas, fósforo y un azúcar. La teoría errónea del tetranucleótido suponía que cualquier región del ADN era exactamente igual a cualquier otra, por lo que no podía contener genes diferentes. Algunos científicos se aferraban a la siguiente idea: puesto que los genes debían controlar procesos complejos, los candidatos preferidos para genes debían ser también moléculas complejas, como las proteínas.
3 ¿Qué demostró el experimento de Griffith realizado en 1928?
La primera prueba de que los genes estaban formados por ADN procede de los experimentos de transformación bacteriana realizados por el bacteriólogo F. Griffith en 1928. Griffith comprobó que una cepa bacteriana de Diplococcus pneumoniae (actualmente Streptococcus pneumoniae), que es inocua cuando se inyecta en los ratones, se transforma en cepa virulenta capaz de provocar la muerte de estos si previamente ha estado en contacto con bacterias virulentas muertas y destruidas por el calor. En 1944, los investigadores Avery, McLeod y McCarthy identificaron que el factor transformante descubierto por Griffith era el ADN. Sin embargo, una buena parte de la comunidad científica permaneció escéptica y hubo que esperar hasta 1952, cuando Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron de manera irrefutable que es el ADN y no las proteínas la molécula portadora de la información genética. Una vez conocida la naturaleza química del gen, se planteó la necesidad de descubrir la estructura molecular del ADN, con el fin de averiguar cómo están codificados los mensajes genéticos que definen la esencia del gen. La aplicación de la metodología bioquímica y biofísica a la genética abrió nuevos horizontes, hasta que el problema quedó resuelto cuando J. Watson y F. Crick, publicaron en 1953 su modelo de la doble hélice del ADN en la revista Nature. Este modelo fue asumido por la genética molecular por su capacidad de explicar las dos funciones básicas del material hereditario: obtener réplicas que se transmiten a la descendencia, abriéndose como una cremallera, y almacenar información codificada en un idioma de cuatro letras para la síntesis de proteínas. R vivas 1
2 S
R
3
4
S
S muertas
+
= S+R
Inyección de bacterias S virulentas
El ratón muere por neumonía
Inyección de bacterias R no virulentas
El ratón no muere
Inyección de bacterias S muertas mediante calor
El ratón no muere
Inyección de una mezcla de bacterias S muertas y R vivas
S vivas
El ratón muere por neumonía
Experimento de Griffith: demostración de la existencia del factor transformante. 1) Las cepas de bacterias virulentas que provocan la muerte del ratón por neumonía se designan con la letra S (Smooth). 2) Las cepas inocuas no provocan la muerte del ratón y se designan con la letra R (Rough). 3) Las bacterias S, calentadas y destruidas por calor, no provocan neumonía. 4) La inyección de una mezcla de bacterias S destruidas por calor y bacterias R produce la muerte del ratón. Se debe a que los cultivos de bacterias S destruidas por calor contienen un factor transformante (ADN) que modifica a algunas bacterias R en bacterias S.
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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2 Replicación de la doble hélice: biosíntesis del ADN Para transmitir los mensajes génicos en una misma célula, la información fluye desde el ADN al ARN (transcripción) y desde este a las proteínas (traducción). Pero la información contenida en los genes también debe transferirse desde una célula progenitora a toda su descendencia, pues una de las características fundamentales que ha de tener el material genético es que sea capaz de copiarse a sí mismo, exacta y fielmente, proceso que se lleva a cabo mediante la replicación del ADN, un mecanismo que permite a las células hijas contener la misma información génica que la célula madre de la que proceden. El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas. Pero ¿cómo es posible que una doble hélice se copie a sí misma? Watson y Crick ya indicaron: «No se nos ha escapado observar que el apareamiento específico de bases que hemos postulado sugiere de inmediato un posible mecanismo de copiado para el material genético». Durante la replicación del ADN, cada hebra se separa y actúa como molde o patrón para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementaria. La complementariedad entre las bases (G-C y A-T), al igual que en los demás procesos que transmiten información (transcripción y traducción), constituye la esencia de la replicación.
Modelo de replicación del ADN. La doble hélice de ADN parental rompe los puentes de hidrógeno entre sus bases, como si una cremallera se desabrochara.
Por esta razón se denomina más correctamente replicación y no duplicación, pues hacer una réplica de un molde supone obtener una copia complementaria, mientras que duplicar un molde significa hacer una copia idéntica. 4 ¿En qué consiste el método de pulso y caza utilizado en la autorradiografía?
La replicación del ADN se dice que se ajusta a un modelo semiconservativo, pues en la doble hélice de cada célula hija se conserva una cadena original de la célula madre (el molde); la otra cadena se sintetiza de nuevo.
EVIDENCIA EXPERIMENTAL Autorradiografía La técnica autorradiográfica se suele utilizar para determinar la región específica de una célula o de un tejido en la que se localiza un compuesto marcado isotópicamente. Para ello utiliza el método de pulso y caza: se suministra al organismo en la dieta o en el medio de cultivo una biomolécula que lleva incorporado un isótopo radiactivo (aminoácido-14C, timidina-3H, uridina-3H, etc.), lo que constituye el pulso (1). Más tarde, la caza consiste en localizar la zona donde existe radiactividad. 1
2
Preparación microscópica con isótopo radiactivo
Emulsión fotográfica
Partículas de Ag+
3H
3 Partículas de Ag metálica (Ag+ b
3H
3H
33H H
a
3H
3
3
H conHotras técnicas, La autorradiografía puede combinarse como la cromatografía y la electroforesis, y también con la microscopía óptica y electrónica. Las preparaciones microscópicas (2) necesitan métodos de tinción específicos para poner de manifiesto las diferentes estructuras celulares. Al mismo tiempo, los componentes celulares que han incorporado el isótopo radiactivo se delatan y manifiestan su presencia en determinadas zonas porque se autofotografían, es decir, se fotografían a sí mismos (3). Ag0) Emulsión revelada
4 RER
a
Soporte 1) Las células incorporan el isótopo radiactivo, suministrado en la dieta o en el medio de cultivo. 2) Se realiza una preparación microscópica y se tiñe con colorantes específicos de la microscopía óptica o electrónica. A continuación, se cubre la preparación con una fina capa de emulsión fotográfica sensible a la radiación y se protege de la luz. 3) Al cabo de varios días se revela la emulsión fotográfica, que elimina todos los granos de plata de la emulsión, excepto los situados sobre los puntos radiactivos (a), que aparecen de color negro (b). 4) Por último, la preparación teñida y revelada se observa con el microscopio, en este caso, electrónico (MET): esta célula incorporó el aminoácido lisina-3H y la autorradiografía muestra dónde tiene lugar las síntesis de proteínas (granos negros en el RER).
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3 Replicación del ADN en bacterias La síntesis de las dos nuevas cadenas de ADN es un proceso similar al revelado fotográfico, pues a partir de un negativo (las hebras molde del ADN parental) se obtiene un positivo (las copias). La replicación del cromosoma bacteriano (doble hélice de ADN circular) comienza cuando se forma una burbuja de replicación, que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación, en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Finalmente, al cabo de unos 30 minutos, los dos nuevos cromosomas genéticamente idénticos se separan. Este proceso de replicación del ADN en bacterias (Escherichia coli), como veremos a continuación, comienza en un punto y se desarrolla en tres etapas: apertura y desenrollamiento de la doble hélice, síntesis de dos nuevas cadenas de ADN y, por último, corrección de los errores.
3.1 Apertura y desenrollamiento de la doble hélice
OriC
Horquilla de replicación
Proteínas SSBP Burbuja de replicación
Punto oriC
Girasas y topoisomerasas Helicasas
Horquilla de replicación
La separación de las cadenas en E. coli comienza en un punto concreto del cromosoma denominado oriC, rico en secuencias GATC, que marca el origen de replicación. A partir del origen de replicación se forman unas estructuras, conocidas como burbujas de replicación, que se extienden a lo largo del cromosoma, en sentidos contrarios, y dan lugar a dos horquillas de replicación (por su forma de Y), donde las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes o patrones para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN: por esta razón se dice que la replicación es bidireccional. Para que la doble hélice se desenrolle sin que las hebras circulares acaben en redándose en un ovillo, interviene un conjunto de proteínas y enzimas que, junto con las enzimas ADN-polimerasas, constituyen un aparato molecular de replicación denominado replisoma: En primer lugar actúan las enzimas helicasas que facilitan el desenrollamiento de la doble hélice que se abre como una cremallera y, para eliminar las tensio nes generadas por la torsión de las dos hebras al desenrollarse, intervienen, además, enzimas girasas y topoisomerasas. Luego, las proteínas SSBP (de single-strand binding protein, proteínas de unión a la cadena sencilla) se unen a las hebras molde del ADN para estabilizarlas y que no se vuelvan a enrollar.
Hebra molde
ADNpolimerasa III ARN cebador
Nueva cadena de ADN
5’
ADNpolimerasa III
Proteínas SSBP
Girasas y topoisomerasas
Helicasas
Replicación del ADN en procariotas. Comienza en el punto oriC, a partir del cual se forma una burbuja de replicación que da lugar a dos horquillas de replicación.
4
1
2
OriC
5 ¿Qué es el punto oriC? 3
Replicación del cromosoma bacteriano. Comienza cuando se forma una burbuja de replicación (1), que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación (2), en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación (3). Finalmente, los dos nuevos cromosomas se separan (4).
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6 ¿Cómo se evita que hebras circulares del ADN acaben enredándose en un ovillo durante la etapa del desenrollamiento?
Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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3.2 Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN
1
Una vez formada la burbuja de replicación, ya pueden actuar las enzimas ADN-polimerasas que leen la secuencia de cada una de las cadenas y elaboran dos copias con secuencias complementarias. En procariotas, existen varias enzimas con actividad ADN-polimerasa, de las cuales destacan tres: la ADN-polimerasa I (decubierta por Arthur Kornberg), y la ADN-polimerasa III, que se encargan de la replicación y de la corrección de errores y la ADN-polimerasa II, que solo lleva a cabo la reparación del ADN dañado por determinados agentes físicos. De ellas, la ADN-polimerasa III es la que realiza la mayor parte del proceso, de manera similar a como lo hace la ARN-polimerasa II durante la transcripción en eucariotas: Experimento de John Cairns. Cultivó bacterias E. coli en un medio que contenía desoxirribonucleótidos de timidina marcados con el isótopo radiactivo 3H (tritio) en lugar de 1H (protio). Después de la primera generación, y a mitad de la siguiente, interrumpió la replicación. En esta autorradiografía quedó plasmada la «huella» de la molécula de ADN parcialmente replicado (1), «sorprendida» a mitad de su segundo ciclo de replicación. Cairns dedujo que el ADN de E. coli es circular y la replicación es semiconservativa.
RAZONA El dibujo siguiente muestra una burbuja de replicación en E. coli. � Indica los nombres correspondientes a las letras a, b, c, d, e, f y g. 3’
5’
Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleó tido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde. Si el nucleótido trifosfato seleccionado es, en efecto, el complementario, cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena de ADN en formación mediante un enlace fosfodiéster, para el que utiliza la energía desprendida en la hidrólisis. Esta etapa la resumen M. Radman y R. Wagner con la siguiente comparación: «La enzima ADN-polimerasa sería como el cocinero ciego que toma los ingredientes al azar, saborea cada uno y decide si lo vierte en la sopa o lo devuelve a la alacena». P Hidrólisis
5’
b
5’ 3’ e
g f
5’ 3’ 5’
3’
5’
3’
OriC
3’ 5’
Replicación bidireccional
3’ c 5’
P
P
P
T
T
A
A
3’ HO
OH
P
P
OH 3’
A Apareamiento de bases
A
T P
P
P
Hebra molde
P
A
T
P
P
5’ P
P
Resto de pirofosfato ADNpolimerasa III
5’
P
3’ HO
d
Nucleótido trifosfato
P
Hebra réplica
5’ P
3’ a
P
P
P
P
T
T
A
A P
P
P P
P
2 P
OH 3’ Dirección de la replicación
A A
T P
P
P
P
A P
T P
P
P
5’
Actividad de la enzima ADN-polimerasa III. Las enzimas ADN-polimerasas solo pueden adicionar nucleótidos al extremo hidroxilo 3' de una cadena previamente formada, es decir, pueden elongar una cadena de ADN pero no pueden iniciarla.
Problemas que debe resolver la enzima ADN-polimerasa III La enzima ADN-polimerasa III debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica: el inicio de la síntesis y el sentido de lectura de la hebra molde. Inicio de la síntesis. El primer problema planteado se debe a que la ADN- polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo pueden elongarla, pues para adicionar desoxirribonucleótidos requiere una cadena previamente formada que suministre un grupo hidroxilo (–OH) 3’ que esté libre: para ello necesita la colaboración de una enzima ARN-polimerasa.
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Fragmento de Okazaki
OBSERVA La ADN-polimerasa III necesita la colaboración de una enzima ARNpolimerasa que sintetiza ARN y actúa como iniciador de la síntesis de ADN La síntesis de una nueva cadena de ADN comienza con un corto fragmento de ARN, llamado cebador (primer), que proporciona extremos hidroxilo 3’ libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos: se sintetiza mediante una enzima ARN-polimerasa, llamada primasa, que actúa como iniciador de las réplicas y se elimina posteriormente del ADN formado. Hebra molde
Inicio de la síntesis de ARN cebador o primer
3’
3’
P P P
Finaliza la síntesis del primer
3’
P P P
G
G
G
C
A
A
A
U
G
G
G
C
A
A
A
U
T
T
T
T G
C
T ARNpolimerasa
G
ARNpolimerasa
El ADN-polimerasa III sintetiza ADN y alarga el fragmento de Okazaki a partir del primer
3’
ARN primer
C
A
U
G
C
A
U
T
A
T
T
A
G
G
C
A
A
T
C
C
C
C
G
T
T
T
T
A
G
G
G
A
A
A
A
A
G
G
G
G
C
C
C
C
T
T
T
T
G
G
G
A
A
A
A
G
G
G
G
5’
5’
3’ 5’
3’
3’ 5’
ADN
Comienza la síntesis de un nuevo fragmento de Okazaki
ARN primer Fragmento de Okazaki
3’ 5’
5’ 3’ 5’ 3’
3’
Elongación del fragmento de Okazaki a partir del ARN primer
Hebra de ADN réplica
5’ 3’ 5’ 3’
Hebra retardada
3’ 5’
5’
Síntesis de una nueva réplica de ADN. La enzima ARN-polimerasa sintetiza el ARN primer, sobre el que puede actuar la ADN-polimerasa III, que adiciona nuevos nucleótidos y elonga la cadena.
Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5’ → 3’, no puede leerse en este sentido por la ADN-polimerasa III. ¿Cómo se copia, entonces, esta hebra? Bien, pues este problema se soluciona abriendo porciones de la hebra molde suficientemente grandes que permitan a la enzima ir retrocediendo para poder leer en el sentido adecuado y así sintetizar pequeños fragmentos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos crecen en el sentido 5’ → 3’ y, más tarde, se unen para formar la otra réplica, que recibe el nombre de hebra retardada porque tarda más tiempo en sintetizarse, ya que la enzima debe esperar a que la horquilla de replicación se vaya abriendo lo suficiente para retroceder y volver a comenzar su trabajo. Tanto la hebra conductora como los fragmentos de Okazaki comienzan con la síntesis del ARN primer, que posteriormente se elimina.
12
3’
3’ 5’ Comienza la síntesis de un nuevo fragmento de Okzaki
Hebra conductora
Sentido de lectura de la hebra molde. En segundo lugar, la ADN-polimerasa III solo «sabe leer» las secuencias de las hebras molde en el sentido 3’ → 5’, mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en el sentido 5’ → 3’. Por tanto, de las dos hebras molde del ADN, la que está orientada en el sentido 3’ → 5’ es copiada de manera continua por esta enzima, y la nueva réplica, que crece en el sentido 5’ → 3’, recibe el nombre de hebra conductora o líder.
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5’ 3’
A
G
5’
5’ 3’
G
ADN polimerasa III
ARN primer
3’ 5’
P P P G
5’ 3’
Hebras molde
5’ 3’
Apertura de la horquilla de replicación del ADN. Permite la síntesis de la hebra conductora, de manera continua, y la síntesis de la hebra retardada mediante fragmentos de Okazaki. La ADN-polimerasa III sintetiza ADN y alarga cada fragmento de Okazaki a partir del ARN primer.
7 ¿Por qué la enzima ADN- polimerasa III no puede iniciar la síntesis de una nueva cadena de ADN? 8 ¿Qué son los fragmentos de Okazaki? 9 ¿En qué se diferencia la hebra conductora o líder de la hebra retardada?
Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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Hebra conductora y hebra retardada Las diferentes etapas de la replicación del ADN se pueden resumir en el esquema que se expone a continuación: La hebra conductora se sintetiza con mayor rapidez debido a que las enzimas primasa y ADN-polimerasas I y III actúan una sola vez, al principio de la réplica. La hebra retardada se sintetiza de forma discontinua, como un «pespunte», mediante un proceso que requiere la colaboración de varias enzimas y en el que pueden distinguirse las etapas 1, 2, 3 y 4. ADNpolimerasa III
ADNpolimerasa I
ADN-ligasa
5’
Hebra molde (5' → 3')
3’
Hebra retardada (3' → 5')
ARN-polimerasa (primasa)
a
Proteínas SSBP
b
Helicasas
ADN
5’ 5’
ADN
Fragmentos del ARN cebador
Fragmentos de Okazaki ARN cebador o primer
3’ 3’
Hebra conductora (lider) (5' → 3')
Girasas y topoisomerasas
ARN cebador o primer
ADNpolimerasa III
Hebra molde (3' → 5')
5’ 3’
HISTORIA DE LA CIENCIA Tsuneko y Reiji Okazaki La bióloga molecular Tsuneko Okazaki (1933), junto con su marido Reiji Okazaki (1930-1975), también biólogo molecular, trabajaron en diferentes proyectos de investigación en los laboratorios de J. L. Strominger y A. Kornberg. Años más tarde, descubrieron los fragmentos de Okazaki y el modelo de replicación discontinua de la hebra retardada del ADN. Reiji Okazaki murió joven de leucemia por haber estado expuesto a la radiación de la bomba atómica en Hiroshima. Tsuneko Okazaki continuó sus investigaciones para determinar la estructura del ARN cebador. Ha sido profesora e investigadora en varias universidades y recibió, entre otros, el Premio L’Oréal-UNESCO.
Modelo de horquilla de replicación del ADN en Escherichia coli. Cada fragmento comienza cuando una ARN-polimerasa, llamado primasa, fabrica una corta cadena de ARN cebador (primer)(1). Esta cadena es alargada por la ADN-polimerasa III, que sintetiza un pequeño trozo de ADN hasta completar un fragmento de Okazaki (2). Más tarde actúa la ADN-polimerasa I, cuya actividad exonucleasa elimina el ARN cebador de cada fragmento (a). El hueco que queda es rellenado por la ADN-polimerasa I, que sustituye el ARN cebador por ADN, con una secuencia complementaria a la del molde (b) (3). Por último, interviene una enzima ADN-ligasa para unir los diferentes fragmentos hasta formar la hebra retardada (4).
3.3 Corrección de los errores La replicación del ADN es un proceso más complejo que la transcripción, por la necesidad de mantener al máximo la fidelidad de la copia. La actividad de las enzimas ADN-polimerasas debe ser exacta, rápida y fiel, pues la vida entera y su continuidad dependen de que la información genética se transmita con fidelidad de generación en generación. Por esta razón intervienen más de 50 proteínas diferentes agrupadas en un complejo multienzimático del tamaño de un ribosoma, llamado replisoma, que incluye además de las proteínas y enzimas mencionadas anteriormente, a las enzimas correctoras. La enzima principal, la ADN-polimerasa III, cataliza la polimerización de los nucleótidos y está «escoltada» por una legión de «comadronas desconfiadas» que saben por experiencia que los errores en la síntesis son inevitables pero pueden corregirse. Los mecanismos enzimáticos que detectan y corrigen las secuencias erróneas en la nueva cadena de ADN y son los responsables de la fidelidad de la replicación son de dos tipos: la corrección de pruebas y la corrección posreplicativa.
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A ctividad autocorrectora de la ADN-polimerasa: corrección de pruebas
RAZONA
Las enzimas ADN-polimerasa I y III, además de polimerizar, son autocorrectoras, ya que realizan una doble lectura: después de cada proceso de polimerización, la ADN-polimerasa «mira» hacia atrás antes de incorporar el nucleótido siguiente y, si detecta un error en el apareamiento, elimina el último nucleótido (posee actividad exonucleasa) y vuelve a introducir el nucleótido adecuado. Ella misma corrige las pruebas de su «manuscrito». La selección de nucleótidos por las ADN-polimerasa I y III y su actividad autocorrectora (actividad exonucleasa de corrección de pruebas) constituyen los principales mecanismos de prevención de errores. El uso de cebadores de ARN, por la incapacidad de las ADN-polimerasas de iniciar una nueva cadena, parece ser que contribuye a incrementar la fidelidad de la copia, pues suelen ser los primeros nucleótidos los que presentan errores de apareamiento con mayor frecuencia.
El genoma de E. coli contiene 4,7 · 106 pares de bases.
¿Cuál es la probabilidad de
que aparezca un error de apareamiento en una generación de E. coli?
¿Cuántos errores de aparea-
miento se acumularían en el genoma de E. coli cada vez que se replica, si no existiesen mecanismos autocorrectores (corrección de pruebas) ni corrección posreplicativa?
En E. coli, la actividad de las enzimas ADN-polimerasas I y III comete un error de apareamiento por cada 106 nucleótidos adicionados. La posterior actividad autocorrectora de estas mismas enzimas (lectura o corrección de pruebas) reduce el error de apareamiento a uno por cada 108 nucleótidos adicionados.
Corrección posreplicativa: reparación del mal apareamiento Para aumentar todavía más la precisión de la replicación, existe una maquinaria enzimática que corrige los posibles errores cometidos por las ADN-polimerasas I y III en el ADN recién sintetizado, que se denomina corrección posreplicativa. La corrección posreplicativa incrementa unas 100 veces la exactitud de la réplica, con lo que se alcanza la increíble perfección de un error por cada 1010 pares de bases. Esta corrección se realiza por medio de enzimas correctoras, agrupadas en el replisoma, que detectan el nucleótido mal emparejado, lo eliminan y regeneran la secuencia correcta del siguiente modo: Para detectar el nucleótido mal apareado, el aparato de corrección debe reconocer la cadena recién sintetizada, donde se encuentra el error, y diferenciarla de la cadena molde. Ambas cadenas son complementarias, pero mientras que la hebra molde (parental) tiene metiladas las adeninas de las secuencias GÅTC, existe un lapso de tiempo durante el cual las adeninas de las secuencias GATC de la hebra réplica permanecen aún sin metilar, y en este intervalo el complejo multienzimático reparador recorre las hebras del ADN y descubre los posibles errores en la cadena que todavía no está metilada, que corresponde a la nueva hebra réplica. La eliminación se realiza mediante una enzima endonucleasa que corta el segmento en el lugar donde se encuentra el nucleótido mal apareado. Por último, la secuencia correcta se regenera cuando la ADN-polimerasa I rellena el hueco utilizando como molde la cadena parental complementaria: entonces el extremo 3’ del nuevo segmento se une con el extremo 5’ de la hebra réplica por acción de una enzima ADN-ligasa. 10 Indica el orden de actuación de las siguientes enzimas y proteínas durante el proceso de replicación del ADN: a) ADN-polimerasa I. b) ADN-polimerasa III. c) Helicasas. d) ARN-polimerasa, e) Topoisomerasas. f) Proteínas SSBP. g) ADN-ligasa.
GA T C
G
GA T C
GA T C GA T C GA T C C T AG
G G G T
GA T C GA T C GA T C C T AG
C T AG C T AG C T AG
GA T C
Error T T de apareamiento T Desenrollamiento de la secuencia errónea G
G G G
GA T C GA T C GA T C C T AG C T AG C T AG C T AG
GA T C
T T T Endonucleasa T
ADN-polimersa I G
C T AG C T AG C T AG
GA T C GA T C GA T C GA T C C T AG C T AG C T AG C T AG
GA T C
GA T C GA T C GA T C C T AG
G G G C
GA T C GA T C GA T C C T AG
C T AG C T AG C T AG
C C C T
C T AG C T AG C T AG
Eliminación de la secuencia GA T C incorrecta GA T C GA T C GA T C C T AG
C T AG C T AG C T AG
T T T G
GA T C
G G G C
GA T C GA T C GA T C C T AG
C C C
C T AG C T AG C T AG
ADN-ligasa
Mecanismo de corrección posreplicativa de errores de apareamiento.
12
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Adeninas metiladas (cadena molde)
Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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4 ReplicaciĂłn del ADN en cĂŠlulas eucariotas Girasa y topoisomerasa Helicasa
ADNpolimerasa ∈
Hebra molde
ADNpolimerasa ι ADNpolimerasa δ
Hebra molde
ADNpolimerasa β
Fragmento de Okazaki
Hebra retardada
Hebra conductora
Histona antigua
Histona nueva
Horquilla de replicaciĂłn del ADN en eucariotas. Se requiere, ademĂĄs, la sĂntesis de histonas que formarĂĄn los nuevos nucleosomas, los cuales se incorporan aleatoriamente, tanto a la hebra retardada como a la hebra conductora.
La replicaciĂłn del genoma eucariota transcurre en la fase S del ciclo celular de modo similar a la de los procariotas: es semiconservativa y bidireccional; la hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada de manera discontinua, en forma de fragmentos de Okazaki que luego se unen; y tambiĂŠn se requiere un ARN cebador para que se inicie la replicaciĂłn del ADN. Sin embargo, la replicaciĂłn en eucariotas presenta ciertas caracterĂsticas peculiares: Existen distintos tipos de ADN-polimerasas (pol), de los cuales destacan cinco: pol đ?›‚ sintetiza el ARN cebador de la hebra conductora y de los fragmentos de Okazaki de la hebra retardada, seguido de la elongaciĂłn de unos 25 nucleĂłtidos de ADN en cada una de las cadenas; pol đ?›… continĂşa la elongaciĂłn de los fragmentos de Okazaki en la hebra retardada (se unen mediante una ADN ligasa); pol ∈ hace lo mismo en la hebra conductora; pol đ?›„ replica el ADN mitocondrial y pol đ?›ƒ repara. En el cromosoma eucariota, el ADN se encuentra asociado con los octĂĄmeros de histonas, en forma de nucleosomas, por lo que, ademĂĄs de replicarse el ADN, deben duplicarse tambiĂŠn las histonas. Al parecer, tanto los nuevos nucleosomas como los antiguos se reparten de manera aleatoria entre las dos nuevas hebras hijas: en la retardada y en la conductora. El genoma eucariota consta de varios cromosomas lineales con un total de unos 3 Ă— 109 pares de bases. Si se replicase al ritmo que en E. coli (30 minutos), tardarĂa 30 000 minutos, es decir, unas 3 semanas. La replicaciĂłn del ADN tiene lugar en la fase S del ciclo celular (A) y, para que el proceso solo tarde unas pocas horas, en cada cromosoma eucariota se forman numerosas burbujas de replicaciĂłn (B). En el genoma humano, por ejemplo, pueden existir unos 30 000 puntos de inicio, lo que acelera en gran medida el proceso de replicaciĂłn. Origen de replicaciĂłn
A M
B
G2
G1 G0
S
HISTORIA DE LA CIENCIA
Interfase
E. Blackburn y C. Greider Elizabeth Blackburn, bioquĂmica australiana (1948), y Carol Greider, bioquĂmica estadounidense (1961), fueron galardonadas en 2009, junto con Jack Szostak, con el Premio Nobel de Medicina por el descubrimiento de la enzima telomerasa. La perseverancia y el rigor experimental de C. Greider, forjados en su lucha contra una dislexia severa, fueron decisivos para que sus investigaciones, junto a su mentora E. Blackburn, condujeran al descubrimiento de la telomerasa y su relaciĂłn con el envejecimiento y el cĂĄncer (las cĂŠlulas cancerosas evitan la apoptosis produciendo mĂĄs cantidad de esta enzima).
Burbujas de replicaciĂłn
Burbujas de replicaciĂłn del ADN en cromosomas lineales de cĂŠlulas eucariotas.
RAZONA  ¿Cuål de estos tres modelos de replicación del ADN se ajusta al tipo semiconservativo?
A
B
+
C
+
+
264
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4.1 Telómeros: envejecimiento y muerte celular
1 5’
Los cromosomas eucariotas son lineales y presentan en sus extremos unas regiones, denominadas telómeros, constituidas por secuencias repetitivas, del tipo TTAGGGTTAGGG... Cuando se replica el ADN lineal los extremos 5’ de los telómeros no pueden ser replicados. Después de ser eliminado el ARN cebador del extremo 5' de cada una de las hebras recién sintetizadas, el hueco que queda no lo pueden rellenar las enzimas ADN-polimerasas, porque no encuentran extremos hidroxilos 3' libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos.
5’ 3’
2.ª replicación
5’ 3’
3’
5’ 3’
5’
5’
3’
5’ 3’ 5’
5’ 3’
5’
3’
5’ 3’ 5’
3’
5’ 3’
A A
A A
T T
5’
3’
Hueco en el extremo 5´ 2
Telomerasa
5’ T T
T T
A A
A A
T T
3’
A A
5’
A A
5’
3’
Molde de ARN 3
Secuencias repetitivas GGGTTG del telómero
4 3’
5’ T T
T T
A A
A A
3’
T T
5’
T T
Proceso de transcripción inversa 5 3’
5’
3.ª replicación 3’
T T
3’
La imposibilidad de replicar los extremos de cada cromosoma da lugar a que el telómero se vaya acortando en cada ciclo de replicación que ocurre durante la fase S de la división celular. Este acortamiento de los telómeros con la edad está relacionado con el envejecimiento y la apoptosis o muerte programada de las células. 1.ª replicación
3’
T T
3’ 5’ 3’ 5’
3’
5’
T T
T T
T T
A A
A A
A A
3’
T T A A
5’
6 ARN primer
7
3’
5’ T T
T T
T T
A A
A A
A A
3’
Alargamiento del telómero en una unidad de repetición
5’ 3’ 5’
3’
5’
3’ 5’
3’
5’ 3’ 5’
5’ 3’ 3’ 5’
3’
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’
3’
5’ 3’ 5’
3’
5’
3’ 5’
Acortamiento de los telómeros. Las hebras hijas son cada vez más cortas en sus extremos 5' que sus correspondientes hebras molde. La consecuencia es que los extremos 5' de los telómeros se van acortando en cada proceso de replicación.
El acortamiento de los telómeros y la apoptosis Al cabo de un número determinado de divisiones llega un momento en que se produce la pérdida de una cantidad importante de material génico de los telómeros, lo que deja al descubierto los extremos «pegajosos» de los cromosomas; estos se unen unos con otros y se altera gravemente su repartición equitativa durante la mitosis. En esta situación, la célula activa el mecanismo de apoptosis que provoca la muerte celular. Los telómeros son como un implacable reloj molecular, que con sus sucesivos acortamientos indican a una célula cuántas divisiones celulares son aún posibles hasta que llegue el momento en que debe cesar toda actividad.
9
T T
Hueco al eliminar el ARN primer
5’
8
Actividad de la telomerasa. Los extremos 5' de cada hebra hija quedan sin rellenar cuando se eliminan los ARN cebadores (1). La enzima telomerasa (2) añade nucleótidos complementarios a su propio molde de ARN (AACCCCAAC) (3) y sintetiza secuencias repetitivas teloméricas (GGGTTG) que alargan los extremos 3' de los telómeros de cada cadena molde parental (4). Estos extremos añadidos en 3' actúan como molde (5) para que se sintetice, primero un ARN cebador (6), y luego un fragmento de ADN (7) en cada hebra hija. Cuando se elimine el ARN cebador se formará un nuevo «saliente» en 3' (8), pero en un telómero que ha sido alargado previamente en una unidad de repetición (9).
La telomerasa: clave de la inmortalidad El acortamiento de los telómeros puede ser neutralizado en algunas células, como las células madre y las células cancerosas, gracias a la acción de una enzima, llamada telomerasa, que las convierte en células inmortales. La telomerasa es una ribonucleoproteína que actúa como transcriptasa inversa, ya que contiene una hebra de ARN con la secuencia apropiada para actuar como molde para la síntesis de la secuencia telomérica de ADN, que se le añade a los extremos 3' de cada cromosoma para evitar su acortamiento en cada proceso de replicación.
11 ¿Cómo se reduce el tiempo de replicación en el genoma eucariota? 12 ¿Por qué se llama a la telomerasa la enzima de la inmortalidad?
El acortamiento de los telomeros es un signo de envejecimiento celular.
12
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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— ·· — · · — — — · · — · · · —
5 Del gen a la proteína
ESTERNOCLEIDOMASTOIDEO GC-3365-ZZ ATTCGGGTACCGTAACGGT Glu-Asp-Cys-Ser-Ser-Gly-Glu 7303077 ISBN: 978-84-345-6741-2
9
7 8 8 4 3 45 6 7 4 1 2
Almacenamiento de información. Todos estos símbolos (letras, números, figuras, etc.) tienen algo en común que les permite almacenar información: la secuencia, en el sentido de sintaxis o sucesión ordenada de diferentes símbolos, que no es aleatoria sino que significa algo, es decir, que contiene un mensaje.
El ADN es la molécula portadora de la información transmitida en los genes, y no las proteínas. Pero los genes, es decir, el ADN como tal, tiene escasa acción directa sobre el funcionamiento del organismo: los genes no transportan oxígeno, no catalizan reacciones para obtener energía ni destruyen a los gérmenes invasores. Son las proteínas las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada individuo su especificidad (el pelo rizado o liso, los ojos azules o negros, la altura, etc.). La casi infinita diversidad de secuencias de aminoácidos posibles convierte a las proteínas en las moléculas más variadas que existen, capaces de construir múltiples estructuras celulares que desempeñan una enorme diversidad de funciones biológicas; en realidad, «somos nuestras proteínas». Por tanto, debe existir algún mecanismo molecular que permita a los genes expresar su información para que se formen las proteínas, que vienen a ser como los robots encargados de ejecutar sus órdenes. Pero ¿qué características tiene la molécula de ADN para actuar como material genético, es decir, para almacenar, expresar y transmitir información?
OBSERVA El idioma del ADN: un lenguaje de cuatro letras Bastan dos signos distintos, como en el lenguaje Morse (A), con un alfabeto de tan solo dos letras (punto y raya) para construir infinidad de mensajes, siempre y cuando construyamos diferentes secuencias de puntos y rayas, es decir, distintas combinaciones de estos dos símbolos. Igual que con solo dos dígitos (0 y 1) del lenguaje binario se puede almacenar y transmitir toda la información digitalizada. A
13 ¿Por qué se suele afirmar que «somos nuestras proteínas»? 14 Indica qué tienen en común las siguientes sucesiones de símbolos que les permiten almacenar información:
ATTCGGTACCGTAACGGT y Glu-Asp-Cys-Ser-Ser-GlyGlu
A B C D E F G H I
J K L M N O P Q R
S T U V W X Y Z
B
Del mismo modo, con cuatro símbolos también se puede construir otro lenguaje: el del ADN (B). El alfabeto de este idioma en el que se expresan los ácidos nucleicos contiene solo cuatro letras (las cuatro bases A, G, C y T) pero con él se pueden construir infinidad de secuencias y, por tanto, el ADN puede almacenar un número prácticamente infinito de mensajes genéticos: toda la información necesaria para la génesis, el desarrollo y la vida de un organismo se encuentra escrita en forma de código o clave en la secuencia de bases de las cadenas de ADN.
5.1 El flujo de la información genética En general, puede considerarse que un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para que se sintetice una proteína determinada (o una cadena peptídica): la información fluye del ADN al ARNm y de este a la proteína. Pero ¿cómo fluye la información desde el gen hasta la proteína? ¿Cómo se encadenan los aminoácidos en el orden correcto? ¿Existe alguna relación entre la secuencia de aminoácidos de la proteína y la secuencia de nucleótidos del gen?
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EVIDENCIA EXPERIMENTAL Grupo A Marcado con 35S
Identificación de la naturaleza molecular del gen: experimento de Alfred Hershey y Martha Chase
Grupo B Marcado con 32P
Los virus bacteriófagos (o fagos) contienen ADN y un recubrimiento proteínico llamado cápside. Cuando el fago infecta a una bacteria, «algo» penetra en el interior de esta y en menos de un minuto la maquinaria metabólica bacteriana comienza a fabricar ADN y proteínas para construir nuevos fagos que acaban por destruir la bacteria. Cápside
1
El virus infecta la bacteria
1
El virus infecta la bacteria
ADN 2 32P
2 Se agita en una mezcladora
Bacteria
3
Virus bacteriófagos (1) en la superficie de una bacteria (2) (MET).
El «experimento de la batidora» pretendía demostrar si el agente responsable que penetra en la bacteria era el ADN o la proteína. Con el microscopio electrónico resultaba muy difícil obtener la evidencia visual que permitiera identificar directamente cuál era la naturaleza del material hereditario que los virus inyectaban en las bacterias. Por lo que los hechos se tuvieron que demostrar de forma indirecta, mediante el empleo de radioisótopos marcadores. Teniendo en cuenta que el ADN contiene fósforo (P), pero no azufre (S), mientras que en las proteínas ocurre lo contrario, contienen S, pero no P, consiguieron dos tipos de fagos: unos con la cápside proteica marcada con el isótopo radiactivo 35S y otros con el ADN marcado con 32P.
4A
Se separa por centrifugación
Cubierta proteínica marcada con 35S en el sobrenadante
Bacterias en el sedimento
El experimento se desarrolló en varias etapas: 1. Infectaron un grupo de bacterias con fagos-35S (grupo A) y otro grupo con fagos-32P (grupo B). 2. Agitaron los cultivos en una especie de batidora para separar los virus de las superficies de las bacterias.
5A
Los fagos no contienen 32P en su ADN
4B
3. Centrifugaron para separar las bacterias, que sedimentan, de los virus, que quedan en el sobrenadante. 4. Midieron la radiactividad en ambos grupos, A y B, tanto en el sedimento como en el sobrenadante. 5. Midieron la radiactividad en los fagos surgidos tras la infección.
Datos obtenidos
Cubierta proteínica en el sobrenadante Bacterias con ADN marcado con 32P en el sedimento
Los cultivos bacterianos del grupo A infectados con fagos-35S mostraron la radiacti-
vidad en el sobrenadante, donde se encuentran las cápsides (4A), y los nuevos fagos surgidos tras la infección no contenían 32P en su ADN (5A).
Los cultivos del grupo B infectados con fagos-32P mostraron la radiactividad en el
sedimento, donde se encuentran las bacterias (4B), y los nuevos fagos surgidos tras la infección también contenían 32P en su ADN (5B). 5B
Conclusión El experimento simple y elegante de A. Hershey y M. Chase demostró que el agente infectante que penetraba en la bacteria, es decir, la molécula portadora de información genética que contenía las instrucciones para dirigir la formación de nuevos virus, era el ADN y no la proteína.
12
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El ADN de los fagos está marcado con 32P
Experimento de Hershey y Chase.
Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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6 La expresión de los genes
ARNm
Un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce, de manera que se pone en marcha la compleja maquinaria molecular que sintetiza la proteína (o cadena peptídica) codificada por ese gen.
5’
La expresión de los genes transcurre en dos etapas sucesivas: la transcripción de la información genética (síntesis de ARN) es un paso necesario y previo a la traducción (síntesis de proteínas).
ARNt
Transcripción: biosíntesis de ARN. En la transcripción, una de de las dos cadenas que componen el ADN de un gen actúa como molde para la síntesis de una cadena de ARN, que tiene una secuencia complementaria.
ARNr Cadena peptídica
Síntesis de una cadena peptídica en el ribosoma. Colaboran el ARNm, los ARNr y los ARNt.
Traducción: biosíntesis de proteínas. Las instrucciones del gen (escritas en clave en el ARNm tras la transcripción) son traducidas por los ribosomas, de acuerdo con un diccionario llamado código o clave genética, que establece las correspondencias entre el idioma del ARNm (secuencia de bases) y el idioma de las proteínas (secuencia de aminoácidos). Los ribosomas son «robots» perfectos capaces de fabricar una enorme diversidad de proteínas a partir de la información contenida en los genes. Su oficio es el de traductores, pero son incapaces de traducir directamente la programación escrita en el idioma del ADN. Solo pueden traducir los mensajes cifrados en una especie de dialecto de este, es decir, el idioma del ARNm. En el proceso de traducción colaboran, junto al ARNm, los ARNr (componentes de los ribosomas) y los ARNt. Los lugares en los que transcurren los procesos de transcripción y de traducción son diferentes en células procariotas y eucariotas:
Transcripción
Transcripción ARN-polimerasa
ARN transcrito primario (precursor del ARNt)
ARN-polimerasa III
ARNt
ARNm
Subunidad 60 S ARN-polimerasa I
ARN transcrito primario (precursor del ARNr)
ADN eucariota (intrones y exones)
Maduración
Maduración ARNt Subunidad grande (50S)
ARNr Subunidad pequeña (30 S)
Ribosoma procariota (70 S)
Reserva (pool) de aminoácidos
ARNr
ARNpolimerasa II
Cadena polipeptídica en formación
Subunidad 40 S
Transcripción
ARNm Maduración Pre-ARNm
Aminoacil ARNt Traducción
Transporte al citoplasma
Aminoacil ARNt
ARNm Traducción
Transcripción y traducción en organismos procariotas (bacterias). Ambos procesos ocurren a la vez en el citoplasma celular, ya que carecen de núcleo y el ADN está disperso por el citoplasma, de manera que antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura, lo cual conduce a la síntesis de proteínas.
Cadena polipeptídica en formación
Transcripción y traducción en organismos eucariotas. Ambos procesos están separados en el espacio y en el tiempo: el ADN se transcribe en el núcleo, y los ARNm formados, junto con los ARNt y ARNr, atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma (al citosol y al retículo endoplasmático), donde los ribosomas proceden a la traducción.
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6.1 Formas de expresión de la información genética
¿LO SABÍAS?
No toda la información genética se expresa del mismo modo: Los únicos genes que se transcriben y se traducen, porque poseen información directa sobre el orden que deben ocupar los aminoácidos para formar las proteínas, son aquellos que al transcribirse originan moléculas de ARNm, una molécula que se comporta como un intermediario con información «prestada». Estos genes son segmentos de ADN que contienen la información necesaria para que, mediante la transcripción y la traducción, se sinteticen las proteínas (o cadenas peptídicas) determinadas.
En animales, un gen de unos 10 000 pares de bases (pb) tarda aproximadamente unos 5 minutos en transcribirse a la velocidad de unos 40 nucleó tidos por segundo.
Existen genes que se transcriben pero no se traducen, ya que son portadores de información para la síntesis de determinados tipos de ARN, como el ARNt y el ARNr, que colaboran en el proceso de biosíntesis de proteínas. Existen, además, secuencias génicas reguladoras en el interior de los genes que no se transcriben ni se traducen pero son de gran importancia, pues ac túan como los signos de puntuación, indicando por dónde se debe comenzar a transcribir el gen y dónde debe finalizar la lectura. 15 ¿Qué tipo de genes se traducen en proteínas? ¿Qué tipo de genes se transcriben pero no se traducen?
6.2 Características de la expresión génica
en procariotas y eucariotas
En líneas generales, la expresión de los genes es un proceso universal característico de todos los seres vivos. Pero, aunque esencialmente este proceso es similar en todos ellos, existen diferencias peculiares, según se trate de organismos procariotas o eucariotas, como se describe a continuación. Procariotas
16 ¿Por qué los genes eucariotas se dice que son fragmentados?
Eucariotas
Genes
Genes continuos: contienen toda la información necesaria para la síntesis de las proteínas.
Genes fragmentados: cada gen consta de una serie de secuencias llamadas exones (se transcriben y se traducen) y otras denominadas intrones (se transcriben pero no se traducen porque son eliminadas durante el proceso de maduración).
ADN
ADN asociado a un pequeño número de proteínas no histónicas, por lo que presenta un bajo grado de empaquetamiento y es de fácil acceso para la transcripción.
ADN asociado a histonas en la cromatina, por lo que está densamente empaquetado, y es de difícil acceso para la transcripción (se requiere un desempaquetamiento previo de la cromatina).
ARN-polimerasa
Un solo tipo de ARN-polimerasa para la síntesis de las tres clases de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.
Hay tres clases de ARN-polimerasas: ARN-polimerasa I: síntesis de ARNr. ARN-polimerasa II: síntesis de ARNm. ARN-polimerasa III: síntesis de ARNt y otros de pequeño tamaño.
Localización de la transcripción y la traducción
Carecen de núcleo, por lo que la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez y en el mismo lugar: en el citoplasma. Antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura e iniciar la síntesis de proteínas.
No transcurren al mismo tiempo ni en el mismo lugar: la transcripción tiene lugar en el núcleo y los ARNm formados, junto con los ARNt y ARNr, atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma (al citosol y al retículo endoplasmático), donde los ribosomas proceden a la traducción.
Tipos de genes
Casi todos los genes procariotas son policistrónicos, de manera que se transcriben en una larga cadena de ARNm que codifica varias cadenas peptídicas diferentes (contiene varios puntos de iniciación y de terminación de la traducción a lo largo del ARNm).
La mayor parte de los genes eucariotas son monocistrónicos: cuando se transcriben dan lugar a una cadena de ARNm que, cuando se traduce, origina una única cadena peptídica.
Maduración del ARN transcrito
Solo en el ARN transcrito primario precursor del ARNt y del ARNr.
Se da en los transcritos primarios precursores de los tres tipos de ARN: ARNm, ARNt y ARNr.
12
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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¿LO SABÍAS? Una de las setas más venenosas es la Amanita phalloides. Su ingestión provoca vómitos, espasmos abdominales, diarrea y en muchos casos la muerte del individuo. La toxicidad se debe a una sustancia denominada 1α–amanitina que no se destruye durante la cocción y se comporta como un potente inhibidor de la ARN-polimerasa II en eucariotas, lo que provoca el bloqueo de la síntesis de los ARNm.
7 La transcripción en eucariotas: síntesis del ARNm en el núcleo La transcripción es la primera fase de la expresión génica, durante la cual se transfiere la información del ADN al lenguaje del ARN. Este proceso consiste en la síntesis de una molécula de ARN. En los eucariotas, todos los tipos de ARN (como el ARNm, ARNr y ARNt) se sintetizan en el núcleo y se exportan al citoplasma, para participar en la traducción. Pero hay que considerar que en los eucariotas, las mitocondrias y los cloroplastos poseen genes que se transcriben para formar ARN mitocondrial y de los cloroplastos. De todos los tipos de ARN eucariotas, nos vamos a limitar únicamente a describir el proceso de síntesis de ARNm en el núcleo.
7.1 Elementos de la transcripción
que intervienen en la síntesis del ARNm
Para que se lleve a cabo la transcripción en eucariotas se necesitan tres elementos básicos: una cadena de ADN molde, ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U, y la enzima ARN-polimerasa II.
Una cadena de ADN que actúa como molde Hace falta un molde o patrón y para ello se utiliza una de las dos cadenas del gen que se va a transcribir. Pero ¿cuál de ellas?
OBSERVA La hebra molde y la hebra informativa
HISTORIA DE LA CIENCIA Martha Chase Genetista estadounidense (19272003), fue asistente de investigación en el laboratorio de Alfred Hershey. En 1952, Hershey y Chase, mediante su célebre «experimento de la licuadora», confirmaron de manera irrefutable que el material genético es el ADN y no las proteínas. Por este descubrimiento, A. Hershey ganó el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1969, junto con S. Luria y M. Delbruck, pero Martha Chase ni siquiera fue mencionada por Hershey en la conferencia que impartió con motivo del Nobel. La carrera científica de M. Chase se truncó y padeció un tipo de demencia que le hizo perder su memoria a corto plazo.
La cadena de ADN que se utiliza como modelo para obtener una réplica complementaria y antiparalela de ARN se denomina hebra molde. La otra cadena del ADN, complementaria de la hebra molde, se denomina hebra informativa. La hebra molde siempre se lee en sentido 3’ → 5’ y la cadena del ARN transcrito va creciendo en sentido 5’ → 3’. Cuando se representan las dos cadenas de un gen, la cadena superior es la hebra informativa, escrita en sentido 5’ → 3’ y la cadena inferior es la hebra molde, escrita en sentido 3’ → 5’. Para nombrar las diferentes regiones del gen se ha adoptado la siguiente terminología:
No se le asigna el valor 0 a ningún nucleótido. El primer nucleótido que se transcribe marca el inicio del gen y se numera como +1.
Hacia la izquierda, en dirección 5’ de la hebra informativa se numeran consecutivamente con números negativos.
Hacia la derecha, en dirección 3’ de la hebra informativa se numeran consecutivamente con números positivos. Gen Inicio de la inscripción
T TA C G ATAT C C G C A T A Hebra informativa G G –1 +2 5’~ A T C G G A G A T A A C C G C C C C A G A ~3’ +1
3’~ T A G C C T C T A T T G G C G G G G T C T ~5’ C C A T Hebra molde AATGC T A T AGGCGT ARNm
5’
AGAUAACCGCCG
A U U A C G A U A U C C G 3’ Dirección de la transcripción
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Ribonucleótidos
RAZONA
Hacen falta ribonucleótidos de A, G, C y U que estén activados, es decir, en sus formas trifosfato «cargados de energía»: ATP, GTP, CTP y UTP. La síntesis de ARN no es más que un proceso de unión de nucleótidos mediante enlaces éster, que se establecen entre el ácido fosfórico situado en posición 5’ de cada nuevo nucleótido con el grupo –OH en posición 3’ del último nucleótido de la cadena.
La hebra molde del gen puede ser transcrita por varias enzimas ARN-polimerasas simultáneamente, cada una de las cuales es portadora de una cadena de ARN que se encuentra en una etapa diferente de elongación. Los tamaños diferentes del ARN representan distintas etapas de elongación y, por tanto, el sentido en el que la ARN-polimerasa recorre la hebra molde viene indicado por los tamaños crecientes del ARN transcrito.
Una enzima: la ARN-polimerasa II o transcriptasa Esta enzima cataliza la polimerización de los ribonucleótidos basándose en la especificidad del apareamiento entre bases, como la ADN-polimerasa III. Para que funcione el proceso de obtención de réplicas de ARN a partir de la hebra molde de ADN, la ARN-polimerasa II debe tener las siguientes capacidades: Reconocer las secuencias promotoras que marcan el inicio de la transcripción, para lo cual necesita la ayuda de otras proteínas: denominadas factores de transcripción. Recorrer la hebra molde en sentido 3’ → 5’, leer la secuencia de sus bases y seleccionar en cada momento el ribonucleótido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde (teniendo en cuenta que en este caso la relación de complementariedad entre bases es G≡C y A=U). Catalizar la formación del enlace éster entre los nucleótidos, si el que ha sido seleccionado es, en efecto, el complementario. La enzima cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena del ARN en formación mediante un enlace éster, y para ello utiliza la energía desprendida en la hidrólisis. Reconocer las secuencias de terminación de la transcripción.
P
P
P
P
P
P
P
A T GAC T
GA TGAC T T GA T A C
T A C T GA
Hebra molde A
3’
cabo la transcripción en esta imagen?
Hebra informativa
Hebra molde de ADN
P
¿En qué sentido se lleva a
T
5’
A
GAU GAC UUGA
T
ARN-polimerasa II
T C A GA T GAC T T GT GAC T AG C A C T A C T GA A C A C T G
G
C T AC T GAAC T
G
T
A
T
ARNm
U A
A A
P
P
P P
3’ 5’ P
P
P
a) La enzima ARN-polimerasa II lee la hebra informativa en sentido 5' → 3'.
A
P
Pirofosfato
P ARNm de nueva formación
OH
P
P P
P P
P 5’
P
17 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:
b) La enzima ARN-polimerasa II lee la hebra molde en sentido 5' → 3'.
Unión de un nuevo ribonucleótido trifosfato
Elongación de la cadena de ARNm en crecimiento
Transcripción en eucariotas. La enzima ARN-polimerasa «lee» la secuencia de la hebra molde de ADN en sentido 3' → 5' y selecciona en cada momento el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria a la base del molde, que se incorpora a la cadena de ARN como un ribonucleótido monofosfato, desprendiéndose un grupo pirofosfato (P–P) y la energía necesaria para formar el enlace éster.
12
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c) La cadena de ARN transcrito va creciendo en sentido 5' → 3'. d) La transcripción requiere ribonucleótidos de A, G, C y T.
Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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7.2 Etapas de la transcripción: síntesis del ARNm
HISTORIA DE LA CIENCIA
El ARNm se denomina mensajero porque transporta el mensaje, es decir, la información necesaria para la síntesis de una proteína (o cadena peptídica), desde el núcleo donde se ha transcrito hasta el citoplasma donde se traduce.
Audrey Stevens Niyogi Bioquímica estadounidense (1932-2010), fue codescubridora de la ARN polimerasa en E. coli.
La mayor parte de los genes eucariotas que codifican para proteínas están fragmentados, por lo que se transcriben tanto los intrones como los exones.
Nació en una granja en Nebraska durante la Gran Depresión, donde aprendió a valorar la vida sencilla y el trabajo duro. Es una de los cuatro investigadores a quienes se les atribuye el descubrimiento de esta enzima, de forma independiente, junto con J. Bonner, J. Hurwitz y S. Weiss; además, investigó sobre diversos aspectos de la síntesis de proteínas y de las funciones del ARNm. Fue investigadora en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y miembro de la Academia Nacional de Ciencias.
El proceso de la transcripción transcurre en tres etapas diferentes, iniciación, elongación y terminación, pero la molécula de ARN recién transcrito en el núcleo es un ARNm transcrito primario o pre-ARNm, denominado también ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), que todavía no es funcional y debe experimentar un proceso de maduración antes de salir del núcleo y ser traducido en el citoplasma por el ribosoma para formar una proteína o una cadena peptídica.
Iniciación Para asegurar que la enzima ARN-polimerasa II transcriba determinados genes en el momento preciso y a una velocidad adecuada, existen en los genes eucariotas tres clases de secuencias reguladores: el promotor, las secuencias potenciadoras y las silenciadoras. Todas ellas se activan mediante una compleja maquinaria formada por diversos factores proteicos de transcripción. El promotor es la región más próxima al inicio de la transcripción y está formado por la secuencia –25 TATA, conocida por caja TATA o caja de Hogness, junto con la secuencia –80 CAAT y la secuencia –120 rica en bases GC. Los factores proteicos de transcripción que se unen con el promotor (factores basales) ayudan a la ARN-polimerasa II a situarse correctamente en el sitio de iniciación del gen. Las secuencias potenciadoras (enhancers) están situadas mucho más lejos, entre –200 y –10 000, y sobre ellas se unen los factores activadores de la transcripción. Estas moléculas activadoras cumplen dos funciones:
4 Represor
Secuencias silenciadoras
–10 000 1 2
4
–200
3 Cromosoma en estado de fibra cromatínica
Cromatina
Región
7 Proteína de unión a TATA
ARN-polimerasa II
6
+1
–25 5
–80 –120
T A T A AT A T T AA A T T
8
A T
A
T A
T
T
T A
T
Inicio de la transcripción
CH3 5’ G
A T
A
A
A
A
T A
T
Pre-ARNm
P P P
T T
A
Elongación de la cadena A de pre-ARNm A
Adición en 5’ de la caperuza de metilguanosina trifosfato
en
nte del g
codifica
T
A T T A
A AA
A T
T T A A
T A
A
T
T
CH3 A
Hebra molde
5’ G
P P P
UTR
Síntesis de ARNm en eucariotas. El inicio de la transcripción tiene lugar cuando ciertos factores de transcripción activadores (1) interaccionan con las histonas y desempaquetan la cromatina (2). Otros factores activadores (3) se unen, por una parte a las secuencias potenciadoras (4) y por otra a las moléculas coactivadoras (5) que actúan de intermediarias para ordenar el correcto ensamblaje de los factores basales (6) con la enzima ARN-polimerasa II (7).
272
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T
A
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I1
T A
En primer lugar, desempaquetan la cromatina al disgregar los nucleosomas, pues contribuyen a la disociación del octámero de histonas y consiguen desenrollar la doble vuelta del ADN para que resulte accesible la región promotora.
OBSERVA La transcripción en procariotas También requiere tres elementos básicos (una cadena de ADN molde, ribonucleótidos trifosfato y una enzima ARN-polimerasa) y transcurre en tres etapas diferentes (iniciación, elongación y terminación). Pero presenta algunas diferencias con eucariotas:
En segundo lugar, facilitan el acoplamiento de los factores basales con la ARN-polimerasa II (a través de los coactivadores) lo que incrementa la velocidad con la que se sintetiza el pre-ARNm. Las secuencias silenciadoras (silencers) se encuentran intercaladas entre las activadoras y a ellas se unen los factores represores de la transcripción, que impiden la actuación de los factores activadores y disminuyen la velocidad de la transcripción.
Elongación
Requiere un único tipo de
La enzima ARN-polimerasa II recorre la hebra molde en sentido 3’ → 5’, mientras que la cadena del ARNm transcrito primario o pre-ARNm continúa creciendo en la dirección 5’ → 3’ a razón de unos 30 nucleótidos por segundo, transcribiéndose tanto los intrones como los exones.
Presenta un promotor (TATA-
ARN-polimerasa para la síntesis de todas las clases de ARN. TT), pero el ADN procariota no necesita descompactar la cromatina, ni existe la complejidad de los factores de transcripción, ni secuencias potenciadoras ni inhibidoras.
Terminación La enzima ARN-polimerasa II reconoce la secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación, localizada en el último exón, que determina el fin de la transcripción (puede continuar cientos de nucleótidos más allá de esta señal) y la separación de la cadena de pre-ARNm recién sintetizada de la hebra molde de ADN.
La molécula de ARNm re-
cién transcrito no necesita un proceso de maduración, ya que los genes no poseen intrones ni exones.
7.3 Maduración postranscripcional La maduración del pre-ARNm consiste en un conjunto de modificaciones en ambos extremos de la molécula, en la eliminación de intrones y en la alteración de ciertas secuencias codificantes en algunos ARNm.
18 ¿Qué función desempeña el promotor y dónde se localiza?
Adición en 5' de la caperuza de metil-guanosina trifosfato
19 ¿Cuándo tiene lugar la terminación de la transcripción?
Poco después de iniciada la transcripción del gen, se le añade al extremo 5’ del pre-ARNm un resto de metil-guanosina-trifosfato. Esta especie de caperuza de guanosina metilada (cap, en inglés) protege al ARNm del ataque de las nucleasas y evita su inmediata degradación en el núcleo. Además, esta caperuza es reconocida por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción.
20 ¿Qué funciones desempeña la caperuza de metil-guanosina-trifosfato?
Terminación de la transcripción Pre-ARNm
CH3
5’ G
P P P
I1
UTR
I2
A
A A
A
T
UTR
T A
T
ión
A
rac
A
T
ad u
T
A
M
T T
T A
T T A A A A T
Maduración
T
T
A
Pre-ARNm
CH3 E: exón I: intrón
I1
I2
5’ G
P P P
UTR
I1
I2
UTR 3’ El ARNm contiene en sus extremos 5’ y 3’ secuencias UTR (del inglés untraslated regions) que no serán traducidas, pero son necesarias para la traducción y la estabilidad del ARNm. Si se bloquean estas secuencias, el ribosoma no reconoce al ARNm y no lo traduce.
3’ UTR AAA...AAA Adición en 3’ de una cola de poliadenina
UTR 3’
Cuando los factores basales reconocen la secuencia TATA del promotor (8), «avisan» a la ARN-polimerasa II de que el inicio del gen se aproxima y da comienzo la transcripción; posteriormente tienen lugar las etapas de elongación y terminación, seguidas de la maduración postranscripcional.
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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18 S
5,8 S
28 S
ADN Transcripción
18 S
5,8 S
28 S
Pre-ARNr o ARN nucleolar 45 S
ARNr 5,8 S
ARNr 28 S
Síntesis de ARNr. Los tres tipos de ARNr (28 S, 18 S y 5,8 S) de la subunidad pequeña del ribosoma, sintetizados por la ARN-polimerasa I, también proceden de largas cadenas de ARN transcrito primario que recibe el nombre de ARN 45 S o ARN nucleolar. Su síntesis tiene lugar en el nucleolo y, tras un proceso de maduración en el que sufre diferentes cortes, origina los tres tipos de ARNr citados anteriormente.
Pre-ARNt
5’
3’
G C G G C Cortes G U G C específicos G C U U G C U A GGC C U A U G U AU G C G G G C C C G G U UC U G C G AG C G CG U U Maduración C GA G G U A C G C G C G U U G G U G C G C G C G G U C G G C U U G C Adición AGGC C U UA U G U AU G C G G G de la secuencia C U C C G G U UC G C G AG C G CG CCA en 3’ U U C GA G G U A A C G C C G C C G G U U G C G U G C G C G G U C G G C U U G C AGGC C U UA U GA G UGC G C U C C G G T VC G C G AG C G C M C GA G G Modificaciones U A C G covalentes de bases C G C G U V I U I C G ARNt maduro
5’
La secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación determina el fin de la transcripción y la actuación de otra enzima, denominada poli-A-polimerasa, que adiciona en el extremo 3’ del pre-ARNm una cola de poli-A formada por unos 150 o 200 ribonucleótidos de adenina. Al parecer, esta cola tiene un papel protector del ARNm e interviene en la vida media de esta molécula, pues cuanto menor es la cola de poli-A de un ARNm más rápidamente se degrada.
Mecanismo de corte de intrones y pegado de exones o splicing
Maduración
ARNr 18 S
Adición en 3' de una cola de poli-adenina (poli-A)
3’
3’
Los genes eucariotas, como ya se ha indicado, se encuentran en su mayor parte fragmentados (excepto los de las histonas, el interferón y algunos otros). Puesto que se transcribe todo el gen, el pre-ARNm tiene la misma longitud que el gen que lo codifica, ya que contiene tanto las secuencias denominadas exones, que serán traducidas porque poseen información para la síntesis de la proteína correspondiente, como las secuencias intercaladas llamadas intrones, que no codifican para la síntesis de proteínas y deben ser eliminadas. Durante el proceso de maduración del pre-ARNm se eliminan los intrones y se unen entre sí los exones. La supresión de los intrones se realiza mediante un proceso de maduración en el núcleo del pre-ARNm que supone cortes entre los intrones y los exones, de manera que las secuencias intrónicas se enrollan en forma de lazos y se eliminan, mientras que las secuencias exónicas se empalman y forman una molécula de ARNm funcional que se exporta al citoplasma y contiene todos los nucleótidos necesarios para la síntesis de la cadena proteica correspondiente. El corte de los intrones y el pegado de los exones se realiza con la ayuda de un conjunto de ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPsn) —contienen pequeñas moléculas de ARN pequeño nuclear, ricos en uracilo (ARNsn)— que constituyen una maquinaria molecular encargada de realizar el splicing, y recibe el nombre de espliceosoma. Existe otra modalidad de corte y empalme que se ha descubierto en ciertos organismos que poseen intrones autocatalíticos (ribozimas) con la capacidad de autocortar sus intrones y autopegar sus exones (autosplicing) sin necesidad del espliceosoma. CH3
5’ G
Pre-ARNm
P P P
E1
E2
P P P
E1
I1
Síntesis de ARNt. Los pre-ARNt sintetizados por la ARN-polimerasa III suelen sufrir cortes específicos en diferentes lugares de la cadena y otras transformaciones, como la modificación covalente de alguna de sus bases (formación de ribotimidina, seudouracilo, etc.) o la adición de la secuencia CCA en el extremo 3'.
E3
I2
E2
5’
I3
3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA
P P P
E1
E2 I1
E3
I3
3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA
Corte de intrones
I2
CH3
5’ G
I2
Espliceosoma
CH3
5’ G
I1
E3 Pegado de exones
3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA ARNm maduro I3
Mecanismo de splicing.
Edición o corrección del pre-ARNm La edición es el proceso de maduración que consiste en introducir o eliminar ciertos nucleótidos o en transformar unas bases en otras, alterando ciertas secuencias del pre-ARNm que codifican para la síntesis de proteínas. Por ejemplo, la desaminación de la citosina conduce al uracilo y la desaminación de la adenina da lugar a la hipoxantina.
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8 Transcripción y retrotranscripción en virus Virus VIH a
1
En la década de los setenta del siglo xx se enunció el llamado dogma central de la biología molecular al comprobar que la información genética almacenada en los genes fluye desde el ADN hasta el ARNm a través de la transcripción, y desde este a la proteína mediante la traducción. Y aunque este postulado sigue teniendo validez universal, pues es la forma mayoritaria en la que se expresa la información genética en casi la totalidad de los seres vivos, no se puede considerar un dogma en el sentido de entender que esta sea la única forma de expresión génica, pues en ciertos virus, como los coronavirus, la información genética está almacenada en moléculas de ARN y la transcripción se lleva a cabo desde el ARN hasta el ARN; por otra parte, en los retrovirus (y también en bacterias y en células eucariotas) existen enzimas retrotranscriptasas que son capaces de invertir el flujo de información genética al sintetizar ADN a partir de ARN.
8.1 Los antidogmáticos retrovirus
b
2
c
Cápside
h
A
e
Como todos los virus, carecen de la maquinaria enzimática necesaria para sintetizar sus propios componentes, y por ello deben infectar e invadir una célula. Se pueden encontrar en forma de virus infectantes de vida libre, constituidos por una envoltura proteica o cápside en cuyo interior se aloja la hebra de ARN junto con la enzima retrotranscriptasa. Y también adoptan la estructura de provirus, formados por una doble hebra de ADN que está integrada en un cromosoma de la célula hospedadora infectada como si fuera uno más de sus genes.
Retrovirus, cáncer y evolución Algunos retrovirus se denominan oncógenos porque son portadores de un tipo de genes, llamados oncogenes, que cuando se insertan en una célula provocan su transformación en célula cancerosa. Otros retrovirus carecen de oncogenes, pero cuando se insertan en determinadas regiones del genoma celular activan los promotores de ciertos genes que tienen efectos carcinógenos. También existen retrovirus que pueden transportar otros genes procedentes de organismos de la misma o de distinta especie, de manera que su inserción puede modificar la información genética de la célula infectada y ser causa de una mutación perjudicial o, por el contrario, de la adquisición de nuevas capacidades que mejoran su adaptabilidad. No se descarta que los retrovirus, junto con los demás virus, viroides, plásmidos y transposones, puedan ser los responsables de la transferencia horizontal de información génica entre especies distintas. Este mecanismo podría ser una de las posibles causas del cambio evolutivo que ha podido contribuir al fenómeno de la especiación al producir macromutaciones.
12
B Núcleo
ARN
f g
ADN hospedador i m
n
j C
l o
k
j
4 p
Los retrovirus, entre los que se encuentran el virus VIH responsable del sida, se caracterizan porque su genoma está constituido por una o más cadenas de ARN sencillas que tienen la información necesaria para construir nuevos virus; además, tienen la particularidad de llevar una «doble vida»: unas veces con ARN y otras con ADN.
Citoplasma
d
Espícula
r
A veces, la investigación científica lleva a proponer nuevas ideas que en un principio resultan heterodoxas cuando se enfrentan a concepciones ortodoxas sólidamente arraigadas en la comunidad científica. En el caso del dogma central de la biología molecular, la creencia de que el flujo de información viaja exclusivamente del ADN al ARN recibió un duro golpe cuando, en 1970, Howard M. Temin descubrió que los retrovirus (una clase de virus cuyo material génico es ARN) eran capaces de sintetizar ADN a partir de ARN mediante una enzima llamada retrotranscriptasa.
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Envoltura
q
l
Ciclo biológico del retrovirus VIH 1. Fijación, penetración y descapsidación. El retrovirus se une a determinados receptores de la membrana de los linfocitos TH (a) y penetra en la célula al fusionarse su envoltura membranosa con la membrana plasmática (b). Una vez en el interior, se despoja de su cápside proteica y quedan libres las dos hebras de ARN (c) y las enzimas retrotranscriptasas (d). 2. Biosíntesis: A. Retrotranscripción. Cada enzima retrotranscriptasa utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de ADN copia (ADNc) (e), con secuencia complementaria, que forma un híbrido con la hebra de ARN (f). Esta es degradada por la misma enzima, al tiempo que sintetiza otra cadena de ADN complementaria al ADNc (g). B. Integración. El ADN vírico (h) se integra en un cromosoma de la célula hospedadora y se convierte en provirus (i). C. Transcripción y traducción. El provirus se comporta como un gen más y utiliza la maquinaria metabólica celular para replicar, transcribir y traducir sus genes, que dan lugar a nuevas copias de ARN vírico (j), proteínas de la cápside (k) y de la envoltura (l) y enzimas retrotranscriptasas (m). 3. Ensamblaje. Las vesículas del aparato de Golgi (n) transportan las glucoproteínas de la envoltura (l) hasta el lugar de la membrana plasmática (secreción constitutiva) (o) donde tendrá lugar la gemación (p). Los demás componentes víricos de la cápside se ensamblan alrededor de las moléculas de ARN de los genomas virales y de las enzimas retrotranscriptasas. 4. Liberación. Una vez formados los retrovirus (q), abandonan la célula mediante un proceso de gemación (p) para volver de nuevo a la vida libre con capacidad para infectar a otras células (r).
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21 Describe el ciclo biológicol de retrovirus del sida (VIH). 22 ¿Qué relación existe entre los retrovirus, el cáncer y la evolución? 23 Describe el ciclo biológico del coronavirus SARSCoV-2. ¿Qué función desempeñan los 12 nucleótidos (CCU CGG CGG GCA) de su genoma?
8.2 La transcripción en el coronavirus SARS-CoV-2 El coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la pandemia COVID-19 (del inglés coronavirus disease 2019), es un nuevo virus emergente cuyo genoma está constituido por una molécula de ARN. De modo que, tanto el almacenamiento de la información genética y su transmisión mediante replicación, como su expresión mediante transcripción y traducción, se llevan a cabo utilizando moléculas de ARN como molde, tal vez un vestigio evolutivo de un pasado remoto, que entronca a los virus ARN con el origen de la vida: el mundo ARN. El ARN del coronavirus SARS-CoV-2 está empaquetado, junto con un grupo de proteínas (N) que forman una nucleocápside. El conjunto está rodeado por una envoltura membranosa que presenta una serie de proteínas (M y E) y espículas proteicas (S), en forma de trompeta, que las utiliza como llave para abrir la puerta de las células a las que infecta. Envoltura vírica
Ciclo biológico del coronavirus SARS-CoV-2 1. Fijación, penetración y descapsidación. La espícula S de la envoltura del virus tiene dos regiones: S1 y S2. La región S1 encaja como una llave en una cerradura en el receptor ACE2 presente en la superficie de la membrana de células del pulmón, corazón, riñones, intestino... La región S2 controla el proceso de fusión de la envoltura membranosa del virus con la membrana plasmática celular, lo que permite la entrada de la nucleocápside al interior del citoplasma de la célula. Para que esto sea posible, la proteína S de la espícula debe ser cortada previamente por dos enzimas (TMPRSS2 y catepsinas) presentes en algunas células que actúan como tijeras moleculares.
S2 Espícula S S1
ARN vírico
S1 CCUCGGCGGGCA S2 Espícula S
Nucleocápside S2 S
Transcripción (ARN➝ARN) y traducción. La enzima ARN
S
S1
Envoltura membranosa
1
E
M
Furina Nueva célula infectada
Fusión N
ACE2
polimerasa dependiente de ARN sintetiza cadenas complementarias de ARN (+) de distintos tamaños, las cuales serán traducidas en el retículo endoplasmático rugoso (RER) para fabricar las diferentes proteínas estructurales del virus: de la nucleocápside (N), espículas (S). membrana (M) y envoltura (E).
Exocitosis
5’
dependiente de ARN sintetiza cadenas complementarias de ARN (+) que serán los genomas de los nuevos virus.
ARN vírico (+)
Vesícula del aparato de Golgi
Traducción
ARN polimerasa Proteínas víricas dependiente de ARN no estructurales 2
ARN vírico (+)
5’ Replicación 3’
Transcripción ARN (+) 5’ 5’
Traducción S
E
4
Virus preactivado
Ribosomas
Replicación (ARN➝ARN). La enzima ARN polimerasa
4. Liberación. Una vez que se han ensamblado todos los componentes víricos tras la infección, los nuevos virus salen de la célula, mediante exocitosis, para infectar a las células vecinas. Pero ahora ya están preactivados, con un primer corte en sus espículas que facilita la fusión de sus envolturas membranosas con las membranas plasmáticas de las células adyacentes, a las que infectan sin exponerse al ataque de los anticuerpos presentes en el medio interno extracelular: un solo virus puede dar lugar a más de 100 000 copias.
Secuencia espícula
Membrana plásmática celular
Receptor ACE2
2. Biosíntesis. Una vez que se «abre la puerta», entra en la célula humana el ARN vírico, que es monocatenario y de polaridad positiva, la misma que el ARNm del hospedador; además, posee una caperuza metilada en el extremo 5' y una cola de poliadenina en el extremo 3', lo cual permite que los ribosomas citoplasmáticos lo traduzcan y sinteticen un conjunto de proteínas no estructurales, entre la que se encuentra la enzima ARN polimerasa dependiente de ARN, que utiliza el ARN vírico (+) como molde para sintetizar cadenas complementarias de ARN (–) mediante replicación, a partir de las cuales se llevan a cabo dos procesos.
3. Ensamblaje. Las proteínas N se asocian a las moléculas de ARN genómico del virus para construir nucleocápsides. Las proteínas S, M y E sintetizadas en el RER se incorporan a las membranas del aparato de Golgi, en cuyas vesículas se ensamblan las nucleocápsides hasta formar nuevos virus, que se alojan en el interior de dichas vesículas. El código genético del ARN del SARS-CoV-2 tiene 12 nucleótidos (CCU CGG CGG GCA) que son responsables de su alta virulencia y capacidad de contagio. Esta breve secuencia codifica una región de la proteína S de la espícula por donde se realiza un primer corte mediante una tercera enzima, denominada furina, presente en las células humanas.
TMPRSS2 Catepsinas
Fusión de la envoltura membranosa del virus con la membrana plásmática celular
+)
3’
5’ Replicación 3’
5’
óm
en
Ng
AR
ARN (–)
3’
( ico
3
5’ Nucleocápside
5’ M
N Vesícula del aparato de Golgi (en formación) Furina
RER
Aparato de Golgi
Primer corte en la espícula S
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9 El genoma El genoma es el conjunto de toda la información genética contenida en un virus, en una célula procariota o en una célula eucariota.
9.1 Genoma vírico Los genomas víricos están formados por ADN o ARN (lineal o circular, monocatenario o bicatenario) que incluye un pequeño número de genes. En cuanto a su origen, ninguna de las hipótesis es plenamente aceptada. Una de las más plausibles supone que los virus podrían haber aparecido antes del antepasado procariota común más sencillo (LUCA), ya sea por asociación entre moléculas de ARN y proteínas en el mundo ARN, o bien por reducción o degeneración de protobiontes (protocélulas) o por escape de fragmentos de ARN o ADN procedentes de dichos protobiontes. Desde la aparición de LUCA, los virus han tenido un importante papel en la evolución celular, debido a su gran facilidad para transferir secuencias de ácidos nucleicos de unas células a otras y de unas especies a otras.
Genoma vírico. Virus bacteriófago estallado que muestra el ADN almacenado en el interior de su cápside (MET).
9.2 Genoma de procariotas El genoma de las células procariotas está formado por un cromosoma circular de ADN que tiene entre 1 000 y 12 000 genes, sin intrones. La mayor parte de las bacterias puede tener además un número variable de plásmidos, que son moléculas circulares de ADN extracromosómico mucho más pequeñas que el cromosoma y que contienen genes que no son esenciales para el crecimiento y la reproducción de la célula. Estas moléculas pueden replicarse indefinidamente de forma independiente e incluir sus copias en las células hijas o integrarse en el cromosoma bacteriano y volver a independizarse de nuevo. Los plásmidos se utilizan como vectores de genes que pueden ser insertados en ellos y de esta forma pueden ser introducidos en una célula hospedadora a la cual transforman.
Genoma bacteriano. Escherichia coli estallada que muestra el ADN de su cromosoma circular (MET).
9.3 Genoma de eucariotas El genoma de las células eucariotas se localiza en su mayor parte en el núcleo y solo una pequeña parte está en orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos, que poseen moléculas circulares de ADN muy similares a las de las bacterias. La organización del genoma nuclear eucariota es compleja, como muestra el genoma humano, que hace referencia a la totalidad de la información genética almacenada en el ADN de sus células, e incluye el genoma mitocondrial (tan solo contiene 37 genes) y el genoma nuclear.
Genoma nuclear eucariota. El ADN se asocia con las histonas y se empaqueta en forma de fibras de cromatina.
Estructura y organización del genoma nuclear humano Cada célula diploide contiene la información genética duplicada, por lo que el genoma nuclear se refiere al contenido de un solo grupo haploide de los cromosomas humanos y está compuesto por unos 3 200 millones de pares de bases de ADN (3 200 Mpb) repartidas en 24 secuencias cromosómicas distintas (22 autosomas de un juego haploide más 2 cromosomas sexuales, X e Y). Una de las sorpresas que ha deparado el Proyecto Genoma Humano es que, al secuenciar el genoma nuclear humano, se ha encontrado que solo contiene entre 19 000 y 21 000 genes codificantes de proteínas y entre 16 000 y 18 000 genes de ARN no codificantes de proteínas, lo que representa únicamente el 1,5 % del total de ADN. El 98,5 % restante corresponde a secuencias repetitivas cuya función no es conocida, a la que se le llamó «chatarra génica», una denominación poco acertada, pues cada vez se conoce mejor su papel en el control de la expresión génica. La descodificación del genoma nuclear humano ha permitido conocer que se organiza de la siguiente manera: genes (y secuencias relacionadas) y secuencias de ADN intergénico.
12
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¿LO SABÍAS? El microbioma humano es el genoma que aporta la microbiota, que es el conjunto de microorganismos que se encuentran alojados en nuestro organismo, principalmente bacterias (unos cien billones, es decir, 1014). El microbioma proporciona unos 3 millones de genes al genoma humano, que desempeñan un papel esencial en numerosos procesos fisiológicos y en el desarrollo de ciertas patologías.
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106 108 1010 (pb) Plantas con flores Aves
Genes y secuencias relacionadas con genes. Representan una pequeña parte del genoma (el 1,5 % del total de ADN) e incluyen a las secuencias de ADN codificante y no codificante relacionadas con genes. Secuencias de ADN codificantes (exones). Comprenden tanto a los genes que codifican para proteínas, que se transcriben a ARNm y se traducen, como a los que codifican para otros tipos de ARN (ARNr, ARNt, micro ARN, etc.), que solo se transcriben. Los genes pueden estar dispersos por el genoma o agrupados en familias génicas (conjunto de genes muy similares que proceden de un ancestro común y que desempeñan funciones muy parecidas o idénticas).
Mamíferos Reptiles Anfibios Peces óseos Peces cartilaginosos Equinodermos
La mayor parte de los genes que presentan herencia mendeliana son secuencias de ADN no repetidas (copias únicas), pero existen otros genes, como los que codifican para las histonas o para los ARNr y ARNt, de los que existen múltiples copias (secuencias de ADN repetidas).
Crustáceos Insectos Moluscos
Secuencias de ADN no codificantes. Incluyen las secuencias reguladoras (promotores, enhancers...), los intrones y los seudogenes, que proceden, o bien de copias de genes duplicados que no se transcriben (por carecer de promotor o acumular múltiples mutaciones), o bien proceden de ARNm generados por genes ancestrales que fueron retrotranscritos e insertados en el genoma.
Gusanos Hongos Algas Levaduras Bacterias Gram + Bacterias Gram – Mycoplasma 107 109 1011 (pb)
Tamaño del genoma expresado en pares de bases. La cantidad de ADN es una característica de cada especie que se conoce como valor C. Sin embargo, el tamaño del genoma no refleja la complejidad morfológica de los organismos, lo cual se denomina paradoja del valor C (por ejemplo, los anfibios poseen un genoma de mayor tamaño que los mamíferos).
Genes (exones) 1,5 %
45 % Secuencias repetidas dispersas
Secuencias relacionadas con genes (no codificantes)
Secuencias de ADN intergénico. Estas regiones extragénicas representan la mayor proporción del genoma, cuya función es prácticamente desconocida. Una parte está formada por secuencias de ADN no génico y no repetitivo, cuya función se desconoce, y otra gran parte de estas regiones está formada por secuencias de ADN repetitivas que pueden ser de dos tipos: Secuencias cortas muy repetidas en tándem. Se denominan satélites (forman parte de la estructura del centrómero y de los telómeros, colaborando en la estabilidad de los cromosomas), minisatélites, que son repeticiones de entre 3 y 20 nucleótidos, y microsatélites, que son repeticiones de secuencias aún más cortas, como (CA)n o (CG)n. Secuencias repetidas dispersas. Aparecen en cualquier parte del genoma, entre las que se encuentran los transposones, los retrotransposones, las secuencias LINE (repeticiones intercaladas largas) y las secuencias SINE (repeti ciones intercaladas cortas, como las secuencias Alu). Las secuencias r epetidas dan lugar a polimorfismos, pues existen grandes variaciones de unos indi viduos a otros y es casi imposible que haya dos individuos con secuencias idénticas; por esta razón se utilizan en medicina forense para la determinación de la huella génica.
23,5 %
Una de las aportaciones de los estudios del genoma humano, como ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), consiste en el cambio de enfoque del concepto de gen, la unidad básica de la herencia (su definición fue anterior al conocimiento del ADN), que en la actualidad tiende a denominarse unidad transcripcional: comprende la secuencia que codifica para una cadena peptídica o para un tipo de ARN distinto al ARNm, incluyendo su secuencia promotora, los exones, los intrones y las secuencias flanqueantes transcritas pero no traducidas (secuencias UTR) necesarias para la traducción y la estabilidad del ARNm.
15 % 15 %
Secuencias de ADN no génico y no repetitivo
Secuencias cortas muy repetidas en tándem
Genoma nuclear humano.
Curso superior del gen
24 ¿Qué grupo de cromosomas constituyen el genoma nuclear humano? 25 ¿Qué elementos incluye una unidad transcripcional? 26 ¿Qué utilidad tienen las secuencias SINE?
Unidad transcripcional Promotor
5’...
Enhancer
CCAAT box
Curso inferior del gen
Exones
TATA box
Enhancer Secuencia 5' UTR
Intrones
......3’
Secuencia 3' UTR
Segmento codificante
Unidad transcripcional.
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Síntesis La replicación del ADN circular bacteriano comienza en el origen de replicación (oriC) y se desarrolla en tres etapas: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice, por acción conjunta de las enzimas girasas y topoisomerasas y las proteínas SSBP, que dan lugar a la formación de una burbuja de replicación. Síntesis de las dos nuevas cadenas, de manera que la hebra conductora o líder (réplica de la hebra molde orientada en sentido 3' → 5' ) se sintetiza de manera continua, mientras que la hebra retardada (réplica de la hebra molde orientada en sentido 5' → 3' ) se sintetiza de forma discontinua, mediante la formación de fragmentos de Okazaki: — Comienzan con la síntesis de un ARN cebador mediante la enzima primasa (ARN-polimerasa). — Continúa la elongación de cada fragmento con la enzima ADN-polimerasa III. — Se elimina el ARN cebador y se rellena el hueco con nuevo ADN mediante la acción de la ADN-polimerasa I. — Por último, se unen los fragmentos mediante la ADN-ligasa. Corrección de errores. Los posibles errores de apareamiento entre bases se corrigen, en primer lugar, por la actividad autocorrectora de las propias enzimas ADN-polimerasas I y III (corrección de pruebas) y, más tarde, mediante sistemas enzimáticos de corrección posreplicativa. La replicación del ADN en las células eucariotas es similar a la de las procariotas. Los cromosomas eucariotas son lineales y los extremos 5' no pueden ser replicados, por lo que en cada etapa de replicación se van acortando los telómeros, lo que está relacionado con el envejecimiento y la apoptosis. El acortamiento de los telómeros puede ser neutralizado en algunas células, como las células madre y las células cancerosas, mediante la acción de la enzima telomerasa que repone los extremos teloméricos. La primera prueba de que los genes estaban formados por ADN procede de los experimentos de transformación bacteriana realizados por el bacteriólogo F. Griffith en 1928. El experimento de Hershey y Chase demostró que el agente infectante que contenía las instrucciones para dirigir la formación de nuevos virus era el ADN y no la proteína. El idioma en el que se expresan los ácidos nucleicos contiene solo cuatro letras (A, G, C y T) pero con él se pueden construir infinidad de secuencias y, por tanto, el ADN puede almacenar un número prácticamente infinito de mensajes genéticos. Un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce, de manera que se pone en marcha toda la compleja maquinaria molecular que va a sintetizar la cadena peptídica (o el ARN) codificada por ese gen: la información genética fluye desde el ADN hasta el ARN y de este a la proteína. No toda la información genética se expresa del mismo modo: Existen genes que se transcriben en ARNm y se traducen en proteínas. Otros genes codifican para otros tipos de ARN (ARNt, ARNr, microARN, etc.), que se transcriben pero no se traducen. Las secuencias génicas reguladoras que marcan el inicio y el final de la transcripción no se transcriben ni se traducen. En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez en el citoplasma: antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura. En los organismos eucariotas, la transcripción tiene lugar en el núcleo, donde intervienen tres tipos de ARN-polimerasas distintas, y la traducción tiene lugar en el citoplasma. En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez en el citoplasma. En los organismos eucariotas, la transcripción en el núcleo, donde intervienen tres tipos de ARN-polimerasas distintas, y la traducción en el citoplasma. La transcripción en eucariotas que da lugar a la síntesis de ARNm en el núcleo requiere tres elementos: una hebra de ADN molde, ribonucleótidos trifosfato y la enzima ARN-polimerasa II. Dichos elementos interactúan en tres etapas: iniciación, donde intervienen un conjunto de factores activadores que descondensan la cromatina y al unirse a las secuencias enhancers facilitan la unión de la ARN-polimerasa II con el promotor, elongación y terminación. Posteriormente tiene lugar un proceso de maduración postranscripcional de ARNm antes de ser traducido que consta de las siguientes etapas: adición de una caperuza de metil-guanosina-trifosfato al extremo 5' del pre-ARNm, adición de una cola de poli-A al extremo 3' del pre-ARNm, splicing (corte de los intrones, que se eliminan, y unión de los exones) y edición (introducción o eliminación de ciertos nucleótidos y transformación de unas bases en otras). En algunos casos es posible que el ARN se retrotranscriba (transcripción inversa) en ADN por acción de la enzima retrotranscriptasa, como ocurre en los retrovirus. El genoma es el conjunto de toda la información genética contenida en un virus, en una célula procariota o en una eucariota. El genoma nuclear humano contiene entre 19 000 y 21 000 genes codificantes de proteínas y entre 16 000 y 18 000 genes de ARN no codificantes de proteínas. Está compuesto por unos 3 200 Mpb de ADN repartidos en 24 secuencias cromosómicas distintas (22 autosomas de un juego haploide más 2 cromosomas sexuales X e Y). Se organiza de la siguiente manera: genes (secuencias de ADN codificantes para proteínas y distintos tipos de ARN), secuencias de ADN no codificantes relacionadas con genes (secuencias reguladoras, intrones y seudogenes), y secuencias de ADN intergénico que está formado por secuencias de ADN no génico y no repetitivo, secuencias cortas muy repetidas en tándem (satélites, minisatélites y microsatélites) y secuencias repetidas dispersas (transposones, retrotransposones, secuencias LINE y secuencias SINE).
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LABORATORIO Y PROCEDIMIENTOS Interpretación de microfotografías de la transcripción en procariotas y eucariotas Procedimiento 2
El objetivo de esta actividad consiste en reconocer las características de la expresión génica en procariotas e identificar el proceso de splicing que tiene lugar durante la maduración del pre-ARNm o ARNm transcrito primario en eucariotas.
Uno de los genes eucariotas más estudiados es el que codifica para la ovoalbúmina, la proteína fundamental del huevo de gallina. Cuando se estableció su secuencia, se identificó un segmento de ADN constituido por 7 564 pares de bases. Era de esperar que la molécula de ARNm correspondiente a este gen tuviese la misma longitud; sin embargo, se detectaron moléculas de ARNm en el citoplasma dispuestas a ser traducidas con una longitud de tan solo 1 872 bases, mucho más cortas que el segmento de ADN correspondiente.
Material necesario Microfotografías realizadas con el microscopio electrónico de transmisión (MET) y diagramas interpretativos.
Procedimiento 1 En los procariotas, la hebra molde del gen puede ser transcrita por varias enzimas ARN-polimerasas simultáneamente, cada una de las cuales es portadora de una cadena de ARNm que se encuentra en una etapa diferente de elongación.
Con el fin de comprender estos resultados, se llevaron a cabo experimentos de hibridación entre el ARNm maduro citoplasmático y una hebra monocatenaria de su gen correspondiente, según la técnica de hibridación del ADN.
Si te fijas en la microfotografía inferior y en su diagrama interpretatativo, verás que se distinguen las dos hebras del ADN de una bacteria y sobre una de ellas se encuentran en ángulo casi recto diferentes estructuras que representan cadenas de ARNm, a lo largo de las cuales se disponen numerosos ribosomas (se traducen a medida que se transcriben).
La micrografía electrónica inferior y su correspondiente diagrama interpretativo ponen de manifiesto la presencia de siete bucles de ADN monocatenario que no están hibridados con la cadena de ARNm.
Aplica el conocimiento
Aplica el conocimiento
¿Por qué razón es más corto el ARNm citoplasmático que su gen correspondiente de la proteína ovoalbúmina?
¿Qué nombre recibe cada una de las hebras a y b del ADN?
¿Qué significa la presencia de estos siete bucles formados al hibridar una hebra de ADN monocatenario (en azul) que lleva el gen de la ovoalbúmina con su correspondiente ARNm citoplasmático (en rojo)?
¿Por qué unas cadenas de ARNm son más cortas que otras? ¿En qué sentido se realiza la transcripción? ¿En qué sentido se realiza la traducción?
3'
3' 7
7 6
6
5
5 4 2
4
3
a
2 5'
b
3
Ribosomas 5' 1 ARNm
1
280
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2 ¿Por qué en la replicación del ADN en procariotas la hebra retardada se sintetiza de forma discontinua? ¿Cuántas enzimas participan en este proceso?
10 A la vista del siguiente esquema, responde razonadamente a las cuestiones:
a
2 1
3
3 ¿Cómo se corrigen los errores de apareamiento entre las bases durante la replicación del ADN? 4 El genoma humano contiene unos 3 · 109 pares de bases. Si se cometiese un error de apareamiento por cada 107 pares de bases, ¿cuántas equivocaciones se producirían en cada replicación del ADN? 5 Teniendo en cuenta que la enzima ARN-polimerasa lee la secuencia de la hebra molde en sentido 3' → 5', escribe las secuencias de las diferentes moléculas de ARNm que se pueden sintetizar al transcribir el siguiente segmento de un gen bacteriano: 5'... TTCGTAACGATTCGTCCAT ...3' 3'... AAGCATGCTAAGCAGGTA ...5' 6 La hebra informativa del ADN de la región codificante de un gen eucariota que codifica para ARNm contiene la siguiente proporción de bases nitrogenadas: A = 24,7 %, G = 26,0 %, C = 25,7 % y T = 23,6 %. Indica cuál será la proporción de bases del ARNm transcrito primario o pre-ARNm sintetizado en el núcleo a partir de ese gen. ¿Esta proporción será la misma en el ARNm citoplasmático maduro? 7 Haz un esquema de los siguientes elementos presentes en esta microfotografía realizada con el microscopio electrónico de transmisión (MET). a) ¿De qué tipo de proceso se trata? b) ¿A qué crees que se debe el hecho de que las fibrillas de la izquierda aumenten de tamaño en un sentido y las del grupo de la derecha lo hagan en sentido contrario?
ACTIVIDADES
1 Un fragmento de cadena de ADN de E. coli, que posee la siguiente composición de bases (A = 24 %, T = 22 %, G = 29 % y C = 25 %), es replicada por las ADN-polimerasas I y III. La hebra réplica sirve de molde para que la ARN-polimerasa la transcriba. Averigua cuál será la composición de bases de ARN producido.
b c
a) ¿Se trata de una célula procariota o eucariota?
b) ¿Qué nombres reciben las moléculas representadas por letras?
c) ¿Cómo se denominan los procesos señalador con números?
d) ¿Qué orgánulos están implicados en los procesos representados con los números 1 y 3? e) ¿Podría darse en sentido inverso alguno de los procesos representados? 11 El esquema adjunto hace referencia a diferentes procesos celulares: ADN → ARNm → Proteínas a) ¿De qué procesos se trata? b) ¿Qué molécula del esquema constituye la base molecular de la herencia en procariotas y eucariotas?
c) ¿Crees que esta es la única forma en que se expresan los genes? 12 Un fragmento de ARNm procariota presenta la siguiente secuencia: 5'...CCAUGACGUACCUUAGCGCUAUACUA...3' a) ¿Cuál es la secuencia de la hebra molde del gen del que procede por transcripción? b) ¿Cuál es la secuencia de la hebra informativa? 13 Suponiendo que la secuencia del ARN del retrovirus VIH causante del sida es la siguiente: 5'...UUAGCGUAUUGUUAGCGCUGGCACAU...3' a) ¿Cuál es la secuencia de la doble hélice de ADN del provirus que se integra en el cromosoma de la célula infectada? b) ¿Cómo se llama este proceso mediante el cual se sintetiza la doble hélice del provirus? Haz un esquema de las etapas que intervienen en dicha síntesis.
8 ¿Qué demostró el experimento de Alfred Hershey y Martha Chase?
14 Compara las similitudes y diferencias que existen en los procesos de replicación y transcripción del ADN en organismos procariotas y eucariotas.
9 ¿Por qué los telómeros son un reloj molecular? ¿Qué relación existe entre su acortamiento y la apoptosis?
15 Explica mediante un esquema el llamado dogma central de la biología molecular.
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Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN
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DEBATE Y OPINA «Durante unos instantes de nuestra vida somos inmortales» Pregunta. ¿Hay una enzima inmortal en nosotros? Respuesta. Sí, pero restringida a los estadios iniciales del desarrollo embrionario. P. Entonces, ¿cuándo somos fetos somos inmortales? R. Sí. La telomerasa es una proteína capaz de mantener siempre jóvenes unas estructuras muy importantes de nuestros cromosomas, los telómeros, así que somos inmortales durante unos instantes. Después las células se especializan en distintos órganos y se pierde esta inmortalidad. P. Presénteme a los telómeros. R. Los cromosomas tienen en su extremo una especie de capuchón, un material conector, los telómeros, que se van desgastando cada vez que las células se dividen, y eso es lo que causa la mortalidad […]. La telomerasa es capaz de alargarlos de nuevo y así mantener las células jóvenes. P. ¿Cómo lo llevan sus ratones? R. Si les quitamos la telomerasa, envejecen prematuramente; si se la aumentamos, viven un 40 % más. P. ¿Traducido a humanos? R. De 80 años pasaríamos a 120, pero como no somos ratones, puede ser más o menos, no lo sabemos. Lo que está claro es que la telomerasa es el mecanismo de la naturaleza para determinar la longevidad de las especies...
P. Enfermamos porque enveje cemos. R. Exacto, la mayor causa de todas las enfermedades que matan en los países desarrollados (donde ya no morimos de infecciones) es el envejecimiento de nuestras células. P. ¿Qué debemos hacer para que nuestros telómeros luzcan una cola de pavo real? R. Sabemos que fumar, la obesidad, el estrés, dormir poco, comer mal es negativo. Si las células se han estresado mucho, tienen que duplicarse muchas veces y agotan antes sus telómeros. Es como si al nacer nos dieran un billete de mil euros que cuando se acaba termina la vida. Hay personas que lo gastan muy rápido y otras son más conservadoras. P. Y en una vida, ¿la cola de los telómeros puede crecer y acortarse varias veces? R. Eso parece, pero debemos realizar estudios que midan los telómeros de forma habitual y continuada en la población. Entrevista con María Blasco, directora del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO). Ima Sanchís. LaVanguardia.com.
¿Qué consecuencias tendría el desarrollo de un fármaco que activara la telomerasa en todas nuestras células?
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Elabora un trabajo sobre los aspectos que consideres más destacables del proceso de transcripción o síntesis de ARN, mediante un procesador de textos o un programa de presentaciones digitales. Incluye en él fotografías, gráficos, animaciones o secuencias de vídeo.
Consulta libros de la biblioteca, prensa y revistas, y visita las siguientes páginas webs:
❚ Proceso
https://cnx.org/contents/56AW05H8@13.4:hL_CExwb@9/Replicaci%C3% B3n-del-ADN https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag-56185/06-La%20 replicaci%C3%B3n.pdf http://www.biologyjunction.com/glenbrook_powerpoints.htm http://sites.fas.harvard.edu/~biotext/
Reúne información sobre los siguientes temas: Genética molecular. La expresión de los genes. La transcripción en eucariotas, procariotas y virus. Regulación de la expresión génica en eucariotas. Retrotranscripción. El genoma y el epigenoma.
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