Flujo de Información Genética
Flujo de Información Genética
Flujo de Información Genética
Sexto semestre
Índice
Presentación de la Unidad
Dentro del dominio bacteria se incluye una diversidad de microorganismos que residen en
diferentes ambientes. Entre sus características de sobrevivencia, destaca su plasticidad
adaptativa y la capacidad de responder a condiciones de estrés.
Desde mediados del siglo XX, con el auge de disciplinas como la genética y la tecnología
del ADN recombinante, se inició el estudio de la genética bacteriana como una de las
alternativas para comprender cómo las bacterias responden a estímulos de estrés. Desde
este punto de vista, los trabajos de investigadores como Avery-MacLeod-Mcarty (1944) y
Watson-Crick-Franklin-Wilkins (1953), entre muchos otros, sirvieron como bases de los
paradigmas que se revisarán en la presente Unidad, la cual abarca la replicación del ácido
desoxirribonucleico (ADN) como molécula que porta la información hereditaria, así como
generación y maduración del ARNm y la traducción de proteínas, generando lo que se
conoce como “flujo de información genética”.
Propósitos de la Unidad
Competencia específica
Temario de la Unidad
Por otra parte, se recordará que el flujo de información genética está definido como los
procesos involucrados en la generación de un fenotipo a partir de un genotipo. En
términos moleculares, se refiere a la expresión de una proteína a partir de una secuencia
de ADN, cuyos paradigmas generaron el “Dogma Central de la biología molecular” (Fig. 1;
Lodish, et. al., 2005; Alberts, et. al., 2010).
Figura 1. Representación de las investigaciones del siglo XX que generaron el “Dogma Central de
la Biología Molecular”. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es la molécula que porta la información
hereditaria (genoma), el cual es replicado durante la proliferación celular. Es reparado cuando hay
daño mínimo (es importante señalar que si el daño es severo, no hay reparación) y hay intercambio
(recombinación) con otras moléculas de ADN. Este ADN es interpretado por complejos proteicos
para generar moléculas de ácido ribonucleico (ARN) a través de la transcripción, generando tres
tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosomal (ARNr), y ARN de transferencia (ARNt).
Particularmente, la secuencia del ARNm es la encargada de portar la información para producir
una cadena polipeptídica (proteína) por medio del proceso denominado traducción (Figura tomada
de Alberts, et al., 2010).
Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) presentan estructuras primarias similares, es decir,
son polímeros lineales cuyo esqueleto principal es una cadena de azúcar (pentosa) –
fosfato, unido por enlaces fosfodiéster entre el carbono 5’ de una azúcar y el carbono 3’
de la azúcar contigua, por tanto, tienen direccionalidad denominada 5’ 3’ (Fig. 2a). La
a. b.
c.
Figura 2. Los ácidos nucleicos presentan la misma estructura básica. (a) Esqueleto de
desoxirribosa – fosfato, se denota en enlace fosfodiéster, la direccionalidad 5’ 3’ y las base
nitrogenada (C, A y G). (b) Azúcar ribosa (izquierda) que distingue al ARN del ADN que contiene
una desoxirribosa (derecha); la diferencia es el grupo hidroxilo en el carbono 2’ del azúcar. (c)
Bases nitrogenadas unidas al esqueleto azúcar – fosfato. El (*) denota el nitrógeno donde se une la
azúcar a la base (Figura modificada de Lodish, et al., 2010).
El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos que forman una doble hélice
antiparalela. Su organización involucra el esqueleto exterior de desoxirribosa – fosfato, y
un interior de bases nitrogenadas apareadas, es decir, Adenina genera dos enlaces de
hidrógeno con la Timina (A=T) y la Citosina genera tres puentes de hidrógeno con la
Guanina (C=G; Fig. 3). Esta doble cadena se estabiliza por la interacción de miles de
enlaces de H, así como por las fuerzas hidrofóbicas entre las bases adyacentes de la
hélice (Lodish, et al., 2005). La estructura descrita por Watson y Crick (1953) presenta un
giro a la derecha, con una separación de 0.36 nm entre cada par de bases (pb), por lo
tanto, para un giro completo de la hélice, abarca 3.6 nm, es decir, alrededor de 10 pb. Con
estas características se distingue un surco mayor y un surco menor (Fig. 3; Lodish, et al.,
2005; Alberts, et al., 2010).
Figura 3. Estructura clásica del ADN. (a) Modelo espacial de ADN B, en azul y rojo se denotan los
esqueletos de azúcar – fosfato de los dos polinucleótidos; las flechas denotan la direccionalidad de
los mismos. En el interior se representan las bases nitrogenadas apareadas, así como el surco
mayor y surco menor observado en esta conformación. (b) Esquema que representa los puentes
de hidrógeno durante el apareamiento purinas – pirimidinas dentro de la molécula de ADN (Figura
tomada de Lodish, et al., 2005).
Por su parte, el ARN de procariotas son moléculas de cadena sencilla que, como se
mencionó, constan de un esqueleto de azúcar ribosa – fosfato y las bases nitrogenadas
(A, U, C y G). Debido al grupo –OH de la ribosa en el C 2’, el ARN es más susceptible a
degradación, y pueden formar doble cadena con otras moléculas de RNA o generando un
hélice hibrida con ADN. Sin embargo, es más común encontrarlas como cadena sencilla y
adoptando conformaciones particulares que dependen de la longitud y tipo de ARN; por
ejemplo, estructuras tipo horquilla, formadas por bases separadas entre 5 – 10 nt, y los
llamados tallos – bucle, apareamientos formados entre bases separadas por nucleótidos
(Fig. 4). Este tipo de estructuras son relevantes en moléculas de ARN que presentan
actividad catalítica como los ARN ribosomales o estructural como los ARN de
transferencia, sin embargo, los ARN mensajeros encargados de portar la información
genética también pueden presentar estructuras tipo tallo-asa que intervienen en los
procesos de traducción y regulación de la expresión de la expresión génica (Lodish, et al.,
2005; Alberts, et al., 2010).
Figura 4. Estructuras secundarias adoptadas por ARN de cadena sencilla. En ARNr y ARNt, este
tipo de plegamiento es esencial para funciones específicas de las moléculas (Figura tomada de
Lodish, et al., 2005).
Las proteínas son polímeros lineales de longitud variable. Cuentan con un esqueleto
formado por N amido, un carbono α (Cα) y el C carbonilo de cada aminoácido presente en
el polipéptido, pero también presentan polaridad, es decir, en un extremo presentan un
residuo amino libre (N – terminal, representado siempre a la izquierda), y del otro lado,
residuo carboxilo libre (C- terminal, representado a la derecha; Lodish, et al., 2010).
La unidad básica de las proteínas son los aminoácidos, formados por un carbono α (Cα),
un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un Hidrógeno (-H) y una cadena
lateral variable (-R; Fig. 5). La cadena lateral de los aminoácidos le confiere diversas
propiedades; es decir, por la posición del Cα se generan dos tipos de aminoácidos
posibles, de los cuales sólo los L-aminoácidos están presentes en la naturaleza. Por otra
parte, la cadena –R varía también en tamaño, forma, carga, solubilidad en el agua y
reactividad, por lo que pueden ser clasificados según las propiedades de sus cadenas
laterales en: Polares, No Polares, y aminoácidos con carga (Fig. 5b). Los aminoácidos
están unidos por medio del enlace covalente, es decir, un enlace amido entre el grupo
carboxilo de un aminoácido, y el grupo amino del siguiente, conocido como enlace
peptídico (Fig. 5c).
Sin embargo, la mayoría de las bacterias contienen, además, ADN extra cromosómico
denominado ADN plasmídico, ya que se encuentra contenido en estructuras llamadas
plásmidos. La información genética contenida en ellos codifica para funciones no
esenciales para la bacteria, aunque también puede contener genes que permiten
adaptarse a diversos medios; genes de resistencia a antibióticos, toxicidad, entre otros
que se abordarán en detalle en la Unidad 2.
de las enzimas: topoisomerasa que elimina vueltas en las hebras de ADN, y la enzima girasa que
introduce vueltas en la misma. (Betancor, et. al., 2006).
Replicación
La unidad que contiene todos los elementos necesarios para duplicar el material genético
es denominada replicón. En bacterias, este proceso se caracteriza por iniciar en un mismo
punto de origen; éste se mueve hasta completar la replicación del cromosoma completo.
El punto inicial constituye la regulación de la replicación, es decir, una vez iniciado el
proceso, se replica el cromosoma completo (Betancor, L., et. al., 2006).
Esquematización del proceso de replicación con las enzimas descritas en la sección (Fig.
10).
Figura 10. Esquema del proceso de replicación. Descripción del proceso conteniendo las enzimas
involucradas en este proceso (Alberts, et al., 2010).
Sistemas de reparación
Un factor de mucha importancia durante la replicación del ADN es la fidelidad con que se
sintetizan las nuevas cadenas. Debido al elevado recambio de nucleótidos generados
cada vez que se replica el contenido genético, las células contienden contra la
probabilidad de errores en este proceso mediante la implementación de diferentes
procesos de reparación (Alberts, et al., 2010).
Por otro lado, los procesos de reparación se utilizan para responder a los daños
espontáneos generados por factores del medio ambiente (mutaciones por lesiones
químicas, radiaciones, etc.) y evitar que deleciones, adiciones o mutaciones en el material
genético, pasen de generación en generación.
Para comprender este proceso se tiene que definir el concepto de gen como la "unidad de
ADN que contiene la información para especificar la síntesis de una única cadena
polipeptídica o ácido ribonucleico (ARN) funcional (tal como un ARNr ó ARNt; Lodish et
al., 2005). De manera general, casi todos los genes son codificantes, es decir, contienen
la información para generar proteínas; sin embargo, alguna proporción de ARN no genera
una cadena polipéptidica, pero presenta algunas funciones esenciales para la regulación
de procesos celulares como la traducción: es el caso de los ARN ribosomales (ARNr) y
los ARN de transferencia (ARNt), que se describirán más adelante.
La transcripción está definida como el proceso mediado por un complejo enzimático (ARN
polimerasa) por el que se genera ácido ribonucleico (ARN) de cadena sencilla a partir de
un fragmento de ADN. Se han descrito tres tipos de moléculas de ARN que, en caso de
bacterias, se sintentizan con la misma ARN polimerasa (Alberts, et al., 2010):
Figura 11. Esquema de un proceso de flujo de información genética del operón de lactosa (Lac).
Se denota que el ARNm contiene más de un gen (policistrónico); en regiones rojo, las regiones no
codificantes de los extremos; en amarillo y verde, los diferentes ORF (imagen obtenida de
http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/grupod/Operon/Operon.htm).
2) ARN ribosómico (ARNr) es la forma más abundante de ARN en las células, ya que
constituyen a los ribosomas, que son complejos macromoleculares (constituidos de ARN y
proteínas) donde se realiza el proceso de traducción. Estos ARN se denominan según su
coeficiente de sedimentación (Grados Svedberg: S) y constituyen la subunidad mayor y
subunidad menor de los ribosomas. En procariotas, los ribosomas son de 70S, donde la
subunidad mayor constituye 50S y la menor 30S (Fig. 12). Su función en el proceso de
traducción se desglosará a detalle en la siguiente sección.
3) ARN de transferencia (ARNt), esta molécula de ARN se constituye de una sola hebra
cuya función radica en su estructura debido a que ésta le permite reconocer secuencias
de ARNm para reclutar y transportar a los aminiácidos requeridos a los ribosomas para la
síntesis de proteínas (Alberts, et al., 2010). Existe una ARNt para cada aminiácido. En la
figura 13 se muestra la estructura funcional de un ARNt. Su función en el proceso de
traducción se desglosará a detalle en la siguiente sección.
Transcripción
Figura 14. Imagen del proceso de transcripción. Se observa la síntesis de la moléculas ARNm a
partir de la una de las hebras del ADN mediante la actividad de la enzima ARN polimerasa (Lodish,
et al., 2005).
Código Código
Aminoácido triada actual
Alanina Ala A
Arginina Arg R
Asparagina Asn N
Ácido
aspártico Asp D
Cisteína Cys C
Glutamina Gln Q
Ácido
glutámico Glu E
Glicina Gly G
Histidina His H
Isoleucina Ile I
Leucina Leu L
Lisina Lys K
Metionina Met M
Fenilalanina Phe F
Prolina Pro P
Serina Ser S
Treonina Thr T
Triptófano Trp W
Tirosina Tyr Y
Valina Val V
Figura 15. A la izquierda se ilustran la combinación de nucleótidos que generan el “codigo
genético” utilizado por los seres vivos para generar proteínas a partir del ARNm. A la derecha está
la lista de los 20 aminoácidos que forman las proteínas y las nomenclaturas utilizadas para
abreviar los nombres (Lodish, et al., 2005; Alberts, et al., 2010).
Subunidad
mayor
ribosoma
Subunidad
menor
ribosoma
Sitio de Unión
al ARNm
Figura 15. (A-C) Modelo del ribosoma bacteriano hélices y listones desde distintos ángulos. La
subunidad mayor (verde claro) muestra ARNt en los sitios E (rojo), P (naranja) y A (amarillo). Es
importante mencionar que durante la traducción no están ocupados todos sitios de unión de ARNt.
La subunidad menor se denota en verde oscuro. (D) Representación esquemática del ribosoma y
los sitios de unión de moléculas de ARN (Alberts, et al., 2010).
La palabra mutación se deriva del Latín mutatio, del verbo mutare, cuya apelación implica
cambio o movimiento. En el Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española se
refiere a una “acción y efecto de mudarse o moverse”, y en sentido biológico, lo refiere
como “alteración producida en la estructura o en el número de los genes o de los
cromosomas de un organismo transmisible por herencia”. Sin embargo, el botánico Hugo
de Vries utilizó por primera vez el término mutación (1901) en un trabajo con plantas del
género Oenothera. En su investigación describió que algunas de las plantas obtenidas de
Por otra parte, a nivel molecular se llaman mutaciones puntuales a los cambios en
nucleótidos particulares de la secuencia de ADN que pueden alterar el marco de lectura
de la traducción, es decir, mutación que cambia el marco de lectura de un aminoácido por
otro diferente, por ejemplo, en el codón GGC que codifica para glicina, si sufre un cambio
a GAC, codificaría para el aminoácido asparagina. Las mutaciones silenciosas son
aquellas modificaciones que no implican cambio en el aminoácido codificado, por ejemplo,
CGU, CGC, CGA O CGG; todos ellos codifican para la arginina. Por último, las
mutaciones sin sentido son aquellas que generan un codón de paro, por tanto, durante la
traducción se obtendrá una proteína incompleta (Lodish, et al., 2005; Betancor, et al.,
2006; Alberts, et al., 2010).
Otro fenómeno que se ha descrito son las deleciones y las inserciones que generan
cambios en el tamaño del material genético, ya que se pierden o incorporan fragmentos
de ADN de distinto tamaño en el genoma. Si los fragmentos perdidos o ganados no son
múltiplos de 3 (debido a los codones), se obtienen mutaciones por desplazamiento del
marco de lectura que suelen provocar la pérdida total del fenotipo.
Fragmento
de ADN Secuenciación
Ligación Transformación Clona
+
ADN
Recombinante + Cepa
Bacteriana
bacteriana
recombinante
Expresión de proteínas
Las herramientas necesarias para poder obtener ADN recombinante incluyen el uso de
técnicas de biología molecular como:
Ligasas. Son enzimas que realizan enlace fosfodiester entre dos moléculas de
ADN que están cercanas y son un herramienta esencial en la unión de ADN
extraño (transgenes) en vectores de clonación. Actualmente la ligasa más usada
en la industria del ADN recombinante es la ligasa de ADN T4 derivada del
bacteriófago T4 (virus que infecta a bacterias), y que es producida por métodos
biotecnológicos para su venta.
Actividades
Autorreflexiones
Cierre de la Unidad
En esta primera Unidad se recapitularon los procesos que definen al flujo de información
genética como los eventos necesarios para observar un fenotipo (generación de proteína)
http://www.genomasur.com/lecturas/Guia02-2.htm
http://www.bioquimica.dogsleep.net/Teoria/archivos/Unidad81.pdf
A su vez, para entender la estructura molecular de las proteínas, se recomienda visitar las
páginas:
http://www.ehu.es/biomoleculas/peptidos/pep2.htm
http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/enlace%20peptidico.html
http://themedicalbiochemistrypage.org/es/protein-structure-sp.php
Fuentes de consulta
Bibliografía
Betancor, L., Gadea, P., Flores, K. (2006). Genética Bacteriana. Temas de Bacteriología y
virología médica. 2ª Edición. Uruguay: Universidad de la Republica.
Curtis, H., Shnek, A., Massarini, A., Aráoz, J., Behrens, V. (2008). Biología. 7ª Edición.
Argentina: Médica Panamericana.
Lodish, H., Berk, A, Matsudaira, P., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M.P., Zipursky, L.,
Darnell, J. (2005). Biología Celular y Molecular. 5ª Edición. Argentina: Ed. Médica
Panamericana.
Murray, P. R., Rosenthal, K. S., Pfaller, M. A., (2009). Microbiología Médica. 6ª Edición.
España: ElSevier.
Paap, D. (1996). Historia de las Ciencias. 1ª Edición. Chile: Editorial Andrés Bello.
Videos
Free Sciencie Lectures (diciembre, 2011). Replicación del ADN (en español) [archivo de
video]. Recuperado de: http://www.youtube.com/watch?v=8xnmaj9m87s
Free Sciencie Lectures (abril, 2012). Transcripción de ADN A ARN [archivo de video].
Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=mFh9L-nu8Hk
Jack, T., Gross, B. (1987). Traducción en procariotas [archivo de video. Traducción del
texto y comentarios añadidos por Angel Herráez]. (Universidad de Alcalá). Hanover, NH,
Dartmouth College. Recuperado de: http://www.dartmouth.edu/ artsci/bio/cbbc/courses/
bio23/bio23-1998/ index-b23-98.html