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• JesSenia SanDra PeNa Acosta

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios

BASES MOLECULARES DE LA HERENCIA COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Los dos tipos de ácido nucleico (ADN y ARN) son polímeros cuyas unidades estructurales se denominan nucleótidos. Estos nucleótidos a su vez están compuestos de tres elementos: Bases nitrogenadas: Son compuestos cíclicos, cuyo esqueleto contiene además de carbono, átomos de nitrógeno. Existen dos tipos de bases nitrogenadas: las purinas, con un anillo hexagonal fusionado a otro anillo pentagonal, y las pirimidinas, con un esqueleto hexagonal. Ambos tipos de bases nitrogenadas contienen dobles enlaces deslocalizados, lo cual genera un efecto de resonancia y le confiere a las bases la capacidad de absorber luz ultravioleta, en el rango de 260 nanómetros. De las purinas que hay en la naturaleza, sólo la adenina y la guanina son las únicas presentes en los ácidos nucleicos. De las pirimidinas, la selección natural escogió a la citosina y a la timina (ésta presente sólo en el ADN) y al uracilo (presente sólo en el ARN).

Azúcar: El azúcar presente en los nucleótidos es la ribosa (una pentosa), la cual es sintetizada únicamente dentro del llamado ciclo de la hexosa monofosfato (o también llamada vía de las pentosas fosfato). Para diferenciar los carbonos presentes en el azúcar de los que se encuentran en las bases nitrogenadas, se enumeran marcándolos con una comilla. Durante las vías de síntesis de nucleótidos la ribosa va a perder un hidroxilo a nivel del carbono 2’ por acción de la enzima ribonucleótido reductasa, generando la 2’-desoxiribosa, azúcar modificada sólo presente dentro de la estructura del ADN. La unión de las bases nitrogenadas y la ribosa se hace a través de un enlace covalente conocido como enlace N-glucosídico, entre el carbono 1’ y el nitrógeno 1 de las pirimidinas o el 9 de las purinas, formándose de esta forma los nucleósidos. Grupo Fosfato: Los nucleósidos pueden fosforilarse a nivel del carbono 5’ con uno, dos o tres grupos fosfato, los cuales por su carácter electronegativo les confiere una naturaleza acídica a los compuestos resultantes, los llamados nucleótidos. Ni las bases nitrogenadas, ni los nucleósidos tienen carga alguna, pero los nucleótidos tienen carga negativa, por lo cual todos los ácidos nucleicos van a tener también carga negativa.

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios Tanto a nivel de nucleósidos como de nucleótidos, los nombres de estos compuestos cambiarán un poco (Tabla 1).

PURINAS PIRIMIDINAS

Base Nitrogenada

Nucleósido

Adenina Guanina Citosina Uracilo Timina

Adenosina Guanosina Citidina Uridina Timidina

Nucleótido Por su naturaleza Por el número de ácida grupos fosfato Ác. Adenílico AMP, ADP, ATP Ác. Guanílico GMP, GDP, GTP Ác. Citidílico CMP, CDP, CTP Ác. Uridílico UMP, UDP, UTP Ác. Timidílico TMP, TDP, TTP

Los nucleótidos trifosfato tienen tres grupos negativos a este nivel. Para estabilizar su estructura limitando las fuerzas de repulsión entre estas tres cargas negativas, dos grupos fosfato se encontrarán neutralizadas por un átomo de magnesio. Por esta razón se considera al magnesio como un cofactor de todas las enzimas que trabajan con nucleótidos trifosfato. Los nucleótidos se unen entre sí a través del enlace fosfodiéster. Para la formación de este enlace, dos nucleótidos trifosfato se acercan lo suficiente para que se forme un enlace covalente entre el oxígeno del radical –OH del carbono 3’ del primer nucleótido, con el grupo fosfato asociado directamente al carbono 5’ del segundo nucleótido. En la formación de este enlace, entonces, se pierden los otros dos grupos fosfato del segundo nucleótido, quedando éste sólo con su grupo –OH 3’ libre. Si viniera un tercer nucleótido, éste se uniría al –OH 3’ del segundo nucleótido, y así sucesivamente. Por esa razón, se dice que las cadenas de ácidos nucleicos crecen en dirección 5’ 3’. Como es la única dirección en la cual van creciendo, entonces cada nucleótido insertado va a tener una posición completamente identificable (primero, segundo, tercero, etc.) generando una secuencia, la cual debe ser leída y escrita siempre en la misma dirección de síntesis.

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios COMPLEMENTARIEDAD Las bases nitrogenadas generan puentes de hidrógeno entre sí de una manera selectiva. La adenina y la timina forman dos puentes de hidrógeno, mientras que la guanina forma tres con la citosina. La formación de estos enlaces débiles genera la idea de complementariedad, puesto que no es posible una asociación entre adenina y guanina o citosina, por ejemplo. La formación de estos puentes de hidrógeno sólo puede ocurrir si las bases complementarias se enfrentan de manera invertida una con la otra. Los nucleótidos pueden formar puentes de hidrógeno gracias a sus bases complementarias y una cadena de nucleótidos también puede asociarse a otra cadena complementaria, siempre y cuando ambas cadenas queden enfrentadas en direcciones opuestas (sentido antiparalelo). Entonces, como la molécula de ADN está formada por dos cadenas complementarias de desoxiribonucleótidos, el contenido de guaninas debe ser exactamente igual al contenido de citosinas, y lo mismo debe decirse del contenido de adeninas y timinas.

TIPOS DE ACIDOS NUCLEICOS Ácido Desoxiribonucleico (ADN). El ADN está constituido por dos cadenas complementarias y antiparalelas de desoxiribonucleótidos formando una doble hélice, según el modelo de Watson y Crick (1953). El ADN se encuentra dentro del núcleo de las células, aunque también existe en las mitocondrias y en los cloroplastos. Se considera que el ADN sirve como un almacén de la información genética, es decir, la información para la síntesis de todas las proteínas de un organismo. En eucariotas, esta información se encuentra en cada núcleo de las células somáticas por duplicado, por lo que se considera que hay dos copias de cada uno de los genes (contenido diploide). En el caso de las células germinales (óvulos y espermatozoides) este contenido se reduce, dejando a cada gameto con una copia de cada gen (contenido haploide) a fin de que el número diploide se recupere en la fecundación (fusión de gametos).

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios Ácido Ribonucleico (ARN). El ARN está formado por una sola cadena de ribonucleótidos y contiene uracilo en vez de timina. Existen tres tipos principales de ARN: el llamado ARN mensajero (ARNm), el ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt). El ARN mensajero contiene la secuencia de nucleótidos que permite la síntesis de una proteína, por lo que el tamaño (número de nucleótidos) depende del de la proteína que será producida. Existen cuatro tipos de ARN ribosomal, los cuales son definidos por su coeficiente de sedimentación: el 5 S, el 5.8 S, el 18 S y el 28 S, para los eucariotes. Estas cadenas de ARNr se asocian entre sí y con un gran número de proteínas para formar una estructura supramolecular conocida como ribosoma. El ARN de transferencia, por su parte, está constituido por una cadena de ARN plegada de tal forma que genera una estructura de tipo hoja de trébol y tiene la función fundamental de transportar de manera específica en el citoplasma a los aminoácidos hacia el ribosoma para participar en la síntesis de proteínas. Por tanto, se debe considerar que exista especificidad de un tipo de ARNt para cada aminoácido. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR La secuencia de nucleótidos de cada uno de estos tipos de ARN se produce a partir de una secuencia presente en el ADN, durante un proceso de síntesis denominado transcripción. La secuencia de ADN que permite la síntesis de una cadena de ARN se denomina gen. Luego, las diferentes moléculas de ARN sintetizadas en el núcleo, salen al citoplasma para participar en el proceso de síntesis de proteínas, denominado traducción. Por su parte, antes de que ocurra un evento de división celular, el ADN nuclear sirve como molde para la síntesis de otra cadena exactamente igual en secuencia y en número de nucleótidos, proceso conocido como replicación y que asegura que las dos células hijas resultantes de la división, contengan la misma secuencia de nucleótidos y por lo tanto el mismo contenido genético.

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Replicación. La síntesis de ADN se realiza en el interior del núcleo, gracias a una maquinaria enzimática compleja, dentro de la cual sobresale la enzima ADN polimerasa por ser la enzima que genera enlaces fosfodiester entre los desoxiribonucleótidos. Para que pueda ocurrir esta síntesis, las dos cadenas del ADN deben separarse por acción de la enzima helicasa, y cada cadena servirá como molde para la síntesis de su cadena complementaria (replicación semiconservativa). Hay que recordar que la ADN polimerasa permite que la cadena que está produciéndose crezca en la dirección 5’  3’. Sin embargo, la ADN polimerasa no puede colocar el primer nucleótido de la cadena, por lo que es necesario primero sintetizar una pequeña cadena de ARN conocida con el nombre de “iniciador” (en inglés “primer”). La enzima que sintetiza los iniciadores de ARN se denomina primasa. Cuando se inicia la replicación, la síntesis no se detiene hasta completar la copia de todo el ADN presente en el núcleo. Transcripción. Es la síntesis de ARN a partir de un pedazo específico del ADN (gen). A diferencia de la replicación, la transcripción no copia todo el ADN del núcleo. Puede considerarse entonces al ADN como una cadena consecutiva de genes, por lo que cada uno de ellos debe contener señales de inicio y de término para asegurar una transcripción efectiva y correcta de un solo gen. La señal de inicio está constituida por una secuencia del ADN que estará siempre presente antes de cada gen, llamada promotor, y que señala el sitio de reconocimiento e ingreso al ADN de la enzima ARN polimerasa, responsable de la transcripción. Por tanto, una alteración de la secuencia del promotor puede generar la imposibilidad de que ocurra la transcripción del gen contiguo. Todo gen necesariamente debe estar precedido por su promotor específico. Los genes eucariotes contienen un mayor número de nucleótidos que la cadena de ARN resultante. Esto se debe a la presencia de secuencias nucleotídicas dentro del gen que interrumpen la secuencia que será traducida en la proteína final. A las secuencias interruptoras se les denomina intrones, mientras que las secuencias que van a perdurar en el ARNm para la síntesis proteica se denominan exones. Tanto intrones y exones son transcritos, y luego se perderán los intrones, quedando sólo los exones en el ARNm final. A este proceso de corte de intrones y empalme de exones se denomina en inglés “splicing”.

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios El ARN mensajero final no contiene intrones, y en el extremo 5’ contiene un nucleótido modificado (la 7-metil Guanina) el cual servirá como un protector (gorrito o capuchón) de ese extremo contra la acción de las exonucleasas presentes en el citoplasma. Por el extremo 3’ se adiciona una cadena repetitiva de nucleótidos de adenina conocida como cola de poli-A, que es cortada por otras exonucleasas, demorándolas en llegar a las secuencias que llevan la información para la síntesis de la proteína. Cerca al extremo 5’ se encuentra una secuencia de nucleótidos que sirve como señal para la unión del ribosoma, y luego en una posición más central aparece una secuencia de tres nucleótidos (AUG) que servirá como señal de inicio de síntesis de la proteína. La síntesis terminará en otra secuencia de tres nucleótidos (UAA, UAG o UGA) que sirve como señal de término de la traducción. La porción del ARNm entre estas dos secuencias se denomina ORF por sus siglas en inglés (“Open Reading Frame” o Marco Abierto de Lectura). Traducción. Para la síntesis de proteínas, del núcleo salen las cadenas de ARNt y ARNm, así como las subunidades ribosomales formadas a partir de las cadenas de ARNr que se unieron a proteínas específicas. La síntesis de ARNr y el posterior ensamblaje de las dos subunidades ribosomales, ocurren dentro del nucleólo, estructura central y mucho más densa del núcleo. En el citoplasma, las dos subunidades ribosomales se unen sobre el ARNm formando el ribosoma. Cuando queda ensamblado, el ribosoma presenta dos agujeros (A y P) que dejan expuestos 3 nucleótidos por vez. Esto permite que las moléculas de ARNt que están transportando aminoácidos específicos, puedan reconocer estos 3 nucleótidos del ARNm (codón) gracias a secuencias de tres nucleótidos complementarios presentes en su estructura (anticodón). Cuando dos ARNt se encuentran en los dos agujeros del ribosoma, éste cataliza la formación del enlace entre los dos aminoácidos transportados (enlace peptídico). Una vez ocurrido esto, el ARNm se mueve dejando los 3 nucleótidos del siguiente codón en uno de los agujeros para que ingrese un nuevo ARNt llevando su aminoácido.

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios CÓDIGO GENÉTICO Y MUTACIONES El primer codón que ingresa a los agujeros del ribosoma es el AUG, a partir del cual el resto de nucleótidos será presentado de tres en tres, generando así una secuencia específica de aminoácidos. La síntesis continuará hasta que aparezca en los agujeros uno de los tres codones de terminación (UAG, UGA o UAA). Por tanto, existe una correspondencia de tres nucleótidos (codón) por cada aminoácido de la proteína. Un codón específicamente permite colocar en la cadena un animoácido en particular. Sin embargo, existen varios codones diferentes que llevan información para el mismo aminoácido (codones degenerativos). En total en el código genético hay 64 codones, de los cuales 61 llevan información para aminoácidos, uno de ellos es el codón AUG que lleva específicamente información para el aminoácido metionina, con el cual se inicia la síntesis de proteína, mientras que los otros 3 (codones STOP o sin sentido) no son reconocidos por ningún ARNt y sirven como señal para terminar la traducción. Entendiendo el mecanismo de la traducción se puede comprender también las consecuencias de las mutaciones. Se denomina mutación a cualquier alteración de la secuencia de nucleótidos del ADN. Como se mencionó anteriormente si una mutación ocurre en la secuencia del promotor, esto puede generar una imposibilidad de transcripción del gen, por lo que se perdería la posibilidad de sintetizar una proteína. Las mutaciones que ocurren dentro de un gen pueden ser de dos grandes tipos, las sustituciones y las deleciones. Las sustituciones ocurren por el reemplazo de un nucleótido por otro. Si el nucleótido reemplazante es del mismo tipo (purina por purina o pirimidina por pirimidina), a este cambio se denominará transición, mientras que si el reemplazo de un nucleótido es por otro de diferente tipo (purina por pirimidina, por ejemplo), el cambio se llamará transversión. Las mutaciones por sustitución sólo afectan la secuencia de los codones, manteniéndose el número de ellos, por lo que no se afecta el número de aminoácidos de la proteína. Si el reemplazo genera un nuevo codón, pero este sigue llevando información para el mismo aminoácido, la mutación se conoce como silenciosa. Si el reemplazo produce un nuevo codón, el cual lleva información para un aminoácido diferente, se dice que la mutación es de sentido equivocado, y si el nuevo codón producido es UAA, UAG o UGA, la mutación es conocida como sin sentido. Las sustituciones pueden producir el cambio de un solo aminoácido, siempre y cuando se haya generado una mutación de sentido equivocado. Las mutaciones silenciosas no generan ningún cambio en

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CAPÍTULO 1 Prof. Ramsés Salas Asencios la secuencia de aminoácidos, y las mutaciones sin sentido generan una síntesis trunca de la proteína. En el caso que se haya generado un cambio en la secuencia de aminoácidos, éste sólo generaría problemas si es que el cambio haya afectado una región totalmente crucial para la formación de la estructura o para la función de la proteína (por ejemplo el sitio activo de una enzima). Por otro lado, la deleciones generan problemas más graves, en vista que al perderse un nucleótido dentro de la secuencia del ARNm, el orden de formación de codones en el ribosoma se vería afectado y a partir de la mutación se tendría una secuencia completamente alterada de aminoácidos. A esto se llama cambio del marco de lectura. El mismo efecto se observaría si se estaría agregando un nucleótido al ARN (adición). Evidentemente, hay más probabilidad de producir alteraciones en la estructura y la función de una proteína por un cambio en el marco de lectura que en una sustitución.

Punto Adicional: LECTURA DE SECUENCIAS DE ÁCIDOS NUCLEICOS Por convención, los ácidos nucleicos (ADN o ARN) se deben leer y escribir como se hace en el idioma español (de izquierda a derecha) en el mismo sentido que ocurre la síntesis; es decir, en dirección 5’  3’. Esto permite reconocer en una cadena simple de nucleótidos (como el ARN) el extremo izquierdo como el extremo 5’ (el nucleótido 1) y el extremo derecho como el 3’ (el último nucleótido insertado durante la síntesis). De esta forma no sería necesario colocar ninguna señal para identificar estos extremos. En la síntesis de ADN y ARN se requiere una cadena complementaria para usarla como molde, la cual será utilizada en la síntesis en la dirección 3’  5’.

¿Cuál es la cadena que se podría sintetizar si se utilizara como molde la siguiente secuencia?

GGCTACTA a) ATCATCGG b) CCGATGAT c) TAGTAGCC

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