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UNIDAD 11

El núcleo tiene 3 funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN, ellas son:
• Almacenar la información genética en el ADN
• Recuperar la información almacenada en el ADN en la forma de ARN
• Ejecutar, dirigir y regulas las actividades citoplasmáticas, a través del producto de la expresión de los genes: las proteínas
En el núcleo se localizan los procesos a través de los cuales se llevan a cabo dichas funciones. Estos productos son:
• La duplicación del ADN y su ensamblado con proteínas (histonas) para formar la cromatina.
• La transcripción de los genes a ARN y el procesamiento de estos a sus formas maduras, muchas de las cuales son transportadas al citoplasma para su traducción.
• La regulación de la expresión genética.

Estructura del Núcleo

Está rodeado por la envoltura nuclear, una doble membrana interrumpida por numerosos poros nucleares. Los poros actúan como una compuerta selectiva que permite la entrada desde el citoplasma de algunas proteínas y la salida de los distintos ARN y sus proteínas asociadas.
La envoltura nuclear es sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios dependientes del citoesqueleto, mientras que la LÁMINA NUCLEAR provee sostén interno.
El núcleo también tiene un NÚCLEOPLASMA, en el cual están disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, LA MATRIZ NUCLEAR la cual provee soporto a los CROMOSOMAS y a los grandes complejos proteicos.
Los cromosomas aparecen ocupando lugares específicos. Los cromosomas están agrupados de tal forma que los genes de los ARNr están todos juntos y confinados en el NUCLEOLO, el lugar donde se sintetizan, procesan y ensamblan los ARNr.
En el núcleo, los GENES transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los inactivos. Los activos se encuentran ubicados centralmente, mientras que los silentes están confinados próximos a la envoltura nuclear

La envoltura nuclear

Esta formada por dos membranas concéntricas interrumpidas por los poros nucleares y por la lámina nuclear. Las membranas delimitan un ESPACIO O CISTERNA PERINUCLEAR. La MEMBRANA EXTERNA en contacto con el citoplasma tiene ribosomas adheridos, que sintetizan las proteínas que se vuelcan al espacio perinuclear. Este espacio se continúa con el REG.
La MEMBRANA INTERNA posee proteínas integrales que le son propias, que se unen a la lámina nuclear y a los cromosomas.
La LÁMINA NUCLEAR esta formada por proteínas del tipo de los filamentos intermedios, polímeros de lámina o laminina nuclear. Ellas se unen a las proteínas integrales de las membranas. La fosforilación de las lamina provoca el desensamble de la lamina nuclear causando la ruptura de la envoltura al inicio de la división celular. La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear.
La ENVOLTURA NUCLEAR es un derivado del sistema de endomembranas, siendo esto evidente al inicio de la división celular, cuando la envoltura se desorganiza y pasa a formar parte del sistema de cisternas y vesículas del RE. La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos principales. Además posibilito que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en los ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la ARN polimerasa sintetiza ARN, simultáneamente el extremo 5’ se une al ribosoma y comienza la traducción.

Complejos de Poro Nuclear

La envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas (CPN), el número de estos es variable. Incrementándose a medida que aumenta la actividad celular. Cada CPN es una estructura macromolecular compleja constituida por un gran número de proteínas de disposición octamérica. Formado por:
• Ocho columnas proteicas, que forman las paredes laterales del poro;
• Anillo interno y externo de estructura octamérica;
• Proteínas de anclaje que fijan cada columna al espacio perinuclear;
• Proteínas radiales que se proyectan desde las columnas hacia la luz del poro, a manera de diafragma;
• Proteínas fibrilares fijas a los anillos. En la cara convergen para formar una canastilla. A lo largo de estas fibrillas se ubican núcleoporinas que intervienen en el transporte de sustancias a través del poro;
• Un poro central o abertura.

La luz de los CPN suelen estar obstruidas por proteínas que circulan a través del poro, como las Cariotransportinas (Kap) que actúan como eficientes transportadores en el tráfico núcleo/citoplasma.

Transporte a través del CPN

Los CPN presentan uno o varios canales acuosos a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua difunden (transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso molecular son transportadas en forma activa, por lo que requieren energía y moléculas transportadoras.
Se importan dentro del núcleo:
• Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para ensamblar los ribosomas.
• Los factores de transcripción requeridos en la activación o inactivación de los genes.
• Los factores de empalme necesarios en el proceso de maduración de los ribosomas.

Las moléculas y macromoleculares ensambladas y exportadas desde el núcleo al citoplasma:
• Las subunidades ribosomales;
• ARNm
• ARNt
• Factores de transcripción que son devueltos al citoplasma para ser reutilizados.

Los complejos de poro nuclear hacen a la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el núcleo y el citoplasma. Estos complejos constituyen la principal vía de comunicación entre el compartimiento nuclear y citoplasmático de la célula ante el pesado tráfico molecular.
Las proteínas de gran tamaño deben poseer una etiqueta para ingresar por el canal central. Estas proteínas sintetizadas en el citoplasma contienen la SEÑAL DE LOCALIZACIÓN NUCLEAR (NSL). Los ARN salen a través de complejos de poro con una proteína especial que posee una SEÑAL NUCLEAR DE EXPORTACIÓN (NES). Ambas consisten en una secuencia corta de aminoácidos.
Las proyecciones filamentosas desde la cara citosólica del complejo pueden enlazar proteínas, conduciéndolas dentro del poro central. Los filamentos citosólicos pueden ser un área importante de paso para la preparación de las ribonucleoproteinas (RNP) antes de ser exportadas.
Las moléculas de mayor tamaño requieren de una PROTEÍNA TRANSBORDADORA O CARIOTRANSPORTINA. Integradas por: importinas y exportinas.
Las IMPORTINAS son heterodímeros, formados por dos subunidades, la subunidad A se una a la NSL de la proteína nuclear permitiendo la unión con la subunidad B. Esta unión origina una “IMPORTINA FUNCIONAL”.
El complejo importina funcional se pone en contacto con los filamentos citosólicos, donde guiado por la núcleoporinas (Nup), llega al poro central. La translocación del complejo importina/carga es regulado por la pequeña GTPasa Ran’, que se une a la subunidad B de la importina. Esta B-importina es la encargada de interactuar con el poro provocando su dilatación y posibilitando el ingreso de la proteína nuclear. La translocación de proteínas es un proceso activo. Cuando el complejo penetra al interior del núcleo, las subunidades de importina se separan y la carga es liberada. La disociación de las subunidades causa cambios en su forma, dejando al descubierto la NES de cada subunidad. Otras proteínas en el poro central reconocen la NES y retornan las subunidades al citoplasma. Los receptores de las hormonas esteroides poseen una NSL también.

Exportación de ARN

Los ARN maduros se asocian a proteínas, las cuales actúan como transbordadores permitiendo el pasaje de ARN al citoplasma. Los ARNm maduros que presentan poli A se asocian con varias proteínas, formando una partícula de ribonucleoproteinas (RNP). Estas partículas se mueven linealmente a través de la canasta nuclear. Al igual que las importinas, las RNP son recicladas hacia el núcleo. En el citoplasma, las CRBP reemplazan a las RNP para guiar a los ARN a sus destinos citosólicos correcto

Cromosomas y cromatina

El núcleo contiene los CROMOSOMAS de la célula. Cada cromosoma consiste en una molécula única de ADN con una cantidad equivalente de proteínas El ADN con sus proteínas asociadas se denominan CROMATINA. La mayor parte de las proteínas de la cromatina consisten en copias múltiples de cinco clases de HISTONAS estas proteínas básicas son ricas en residuos de arginina y lisina.
La cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de PROTEÍNAS NO HISTONICAS Y RNP. La mayoría de ellas son factores de trascripción estos factores regulan que parte de ADN será transcripta en ARN.



Niveles de organización de la cromatina
Dos tipos de cromatina. La EUROCROMATINA O CROMATINA LAXA de localización central Y LA HETEROCROMATINA O CROMATINA DENSA en la periferia del núcleo.

La HETEROCROMATINA es transcripcionalmente inactiva.
La EUCROMATINA se encuentra en dos estados, el accesible, donde se encuentran los genes accesibles que se están transcribiendo y la poco accesible, más condensada donde están los genes que no se transcriben.
Las perlas son los nucleosomas de enrollamiento de la cromatina.
Los núcleosomas están formados por un centro o core de histonas. Dicho centro posee dos copias de cada una de las siguientes histonas: H2A; H2B; H3 Y H4.
Alrededor del centro de histonas, 146 pares de bases del ADN se enrollan en dos vueltas. La unión de las histonas del ADN no depende de la secuencia particular de nucleotidos, sino de la secuencia de aminoacidos de la histona. Alrededor de 60 pares de bases de ADN unen un núcleosoma con el proximo. Cada region de union es el ADN espaciador. La quienta histona, la H1 conecta a los nucleosomas y actúa como una banda de goma, manteniéndolos juntos dentro de una misma cuerda enrollada. Esta estructura se conoce como fibra, siendo el primer grado de empaquetamiento de la cromatina.
Los núcleosomas se organizan en fibras girando alrededor de su eje. Esta estructura es mantenida por la interacción de las H1 de núcleosomas cercanos. En el siguiente nivel de empaquetamiento, las fibras se organizan en una serie de bucles o asas súper enrolladas. Estos bucles se estabilizan gracias a la interacción con las proteínas de la matriz nuclear o andamiaje nuclear. (Scaffold). Cada bucle de cromatina representa un dominio funcional o unidad de replicación.
Durante la profase, los cromosomas aparecen en forma más condensada, alcanzando la cromatina su mayor nivel de condensación en la metafase. La organización de los cromosomas envuelve la fosforilación de la H1 y otras proteínas, lo cual causa el plegamiento y empaquetamiento aun mas compacto de la cromatina. El andamiaje o matriz nuclear se convierte en el centro de la estructura del cromosoma, y como la compactación continua, este se pliega a modo de acordeón.
El grado de condensación de los dominios de la cromatina se mantiene debido a la asociación con la matriz nuclear y a proteínas asociadas con la topoisimerasa II o girasa, encargada de controlar el grado de súper enrollamiento del ADN.
La unión entre la cromatina y la matriz se da a nivel de zonas altamente conservadas, denominadas secuencias SAR o MAR, las SAR son regiones ricas en residuos de adenina y timina, abundantes en la heterocromatina. En andamiaje esta muy plegado en la heterocromatina, y es mas lineal en las bandas de eucromatina, formando bucles mas amplios.
Las histonas de la eucromatina están fuertemente acetiladas, haciéndolas mas accesibles para la transcripción de sus genes.
Tipo de cormatina Estado Fisico Cambio quimico Tipo de genes Replicacion
Eurocromatina Laxa Acetilada Activos Fase S temprana
Heterocromatina Condensada Metilada Silentes Fase S tardia


El empaquetamiento de la cromatina permite confinar al ADN dentro del núcleo.
El empaquetamiento del ADN en forma de cromatina, no solamente le permite entrar dentro de los límites del núcleo, sino también lo protege del ataque de las nucleasas.

El cromosoma EUCARIONTE

Cada cromosoma eucariota consiste en una molécula simple de ADN.
La molécula de ADN en el cromosoma es lineal, por lo tanto posee 2 extremos y contiene:
Un conjunto lineal de genes que codifican para ARN y proteínas interrumpidas por muchas secuencias de ADN no codificante. El ADN NO codificante incluye:
Secuencias aprox. De 170 nucleótidos de ADN satelite que corresponden al centrómero;
Secuencia repetitiva en los extremos del cromosoma llamada telómeros,
Múltiples secuencias señalizadotas altamente conservadas, denominadas origen de replicación (ORI) necesarias para que se realice la duplicación del ADN en un tiempo breve.
• El centrómero es una constricción primaria localizada centralmente en cada cromosoma. El ADN centromérico se encuentra siempre condensado siendo parte de la parte de la heterocromatina. Los telómeros son necesarios para la duplicación completa del cromosoma, los protegen de las nucleasas, evitan que los extremos del cromosoma se fusionen entre si y facilitan la interacción del cromosoma con la envoltura nuclear. Los telómeros de las células humanas contienen la secuencia 5’ TTAGGG 3’.
La cadena rica en guanosina corre en dirección 5’ 3’ formando un apéndice en una de las cadenas en cada extremo del ADN. Este desnivel se mantiene por medio de una enzima especial la telomerasa, que agrega nuevas unidades al extremo 3’ de la cadena rica en guanosina. La telomerasa es una ribonúcleoproteína, provee un molde AAUCCC, es una retrotrancriptasa, sintetiza ADN a partir de un molde de ARN.
La telomerasa activa se encuentra solamente en las células de la lineal terminal, eucariontes unicelulares y células cancerosas.
La posicion del centromero nos permite diferenciar a los cromosomas, durante la mayor parte de la vida de la célula, los cromosomas son demasiados largos y tenues, antes de que una célula se divida, cada cromosoma de duplica (fase S).
Al inicio de la división celular, los cromosomas duplicados se condensan en estructuras que pueden teñirse con facilidad. Cada parte del cromosoma duplicada, se llama cromatina hermana.
El cinetocoro es una estructura proteica que forma parte del centrómero y ayuda a separar las cromatidas hermanas, es el sitio de union con los microtubulos del huso. La posición del centrómero, determina el largo de los brazos del cromosoma, en base a estos se puede clasificar a los cromosomas en Metacéntricos (centrado e iguales), Submetacéntricos (tira mas para un lado el centro osea uno es mas grande que otro) y Acrocéntricos (en el extremo y uno de los brazos es casi inexistente).

CARIOTIPO

Todas las especies tienen un número característicos de pares de cromosomas homólogos llamaros números diploide (2n). En el hombre es 46.
El CARIOTIPO es una representación gráfica o fotográfica de los cromosomas presentes en el núcleo de una sola célula somática de un individuo. Cada miembro del par de cromosomas homólogos proviene de cada uno de los padres del individuo. El cariotipo de la mujer contiene 23 pares de cromosomas homologos: 22 pares de autosomas y 1 par de cromosomas sexuales ambos “X”. El cariotipo del hombre contiene 22 pares de autosomas y par de cromosomas sexuales uno “X” y uno “Y”.

Preparación de un cariotipo

La tinción marca las regiones de los cromosomas que son ricos en pares de nucleótidos entre A – T produciendo una banda oscura, la banda G. luego de la tinción, los cromosomas se fotografían, se recortan y se ordenan de acuerdo a su long. Los de igual tamaño se aparean según la ubicación de su centrómero.

El nucléolo

En el tienen lugar la formación de subunidades ribosómicas, la síntesis y procesamiento de ARNr. Es un aglomerado de fibras de cromatina de distintos cromosomas, todos estos son Acrocéntricos y presentan constricciones secundarias denominadas organizadores nucleolares (NOR), donde están los genes que codifican ARNr. El nucleolo se diferencia dos regiones:
• Una zona fibrilar central, formada por ADNribosomico y ARNr naciente
• Una zona granular periférica donde los gránulos están formados por las subunidades ribosómicas en proceso de ensamblado.
Los nucleolo, al igual que la envoltura nuclear desaparecen en la mitosis y se reorganizan alrededor de los segmentos de ADNr (codifica ARNr). Cada gen produce un transcripto llamado ARNr 45S que será luego procesado. El ensamblado de las subunidades ribosomales requiere de un tiempo mas o menos constante; es por ella que en los nucleolos grandes observamos mayor proporción de componente granular.

UNIDAD 12

Evolución del concepto de gen

El GENOMA es el conjunto de genes de una especie. Es una UNIDAD INFORMATIVA DISCRETA, RESPONSABLE DE UNA CARACTERÍSTICA TRANSMISIBLE. Hoy la identificamos cono unidad de información con un fragmento de ADN localizado en determinado lugar del cromosoma. Una segunda concepción del gen surgió diciendo que los genes especifican la estructura de las proteínas individuales. Cada proteína consiste en una secuencia de aminoácidos típica, de la cual, se supuso, dependerían sus propiedades.
Un gen es una secuencia de ADN con la información necesaria para la síntesis de una proteína particular. El ADN es una molécula relativamente inerte, su información se expresa en dos pasos: 1) la Transcripción, consiste en la síntesis del ARN a partir del ADN. El ARN contiene toda la información de la secuencia de las bases del ADN de la que ha sido copiado. 2) la Traducción, momento en el cual el ARN ejecuta las instrucciones recibidas cristalizadotas en la síntesis de una proteína especifica. Existen diversos tipos de ARN: el ARNm(mensajero), el ARNr(ribosomico), el ARNt(de transferencia) y los ARN pequeños. De todos ellos, tan solo el ARNm es portador de informacion acerca de la secuencia aminoacidica de una proteina, sin embargo todos ellos son transcriptos de ADN.
Existen regiones reguladoras de los genes, que no se transcriben y otras regiones (intrones) que se transcriben pero se eliminan sin cumplir ninguna función aparente.

Organización del genoma en procariontes y eucariontes

Ciertos virus, que contienen un genoma de ARN, el resto de los genomas utiliza el ADN como depositario de la información genética. Algunas diferencias son significativas en cuanto a la organización del genoma en procariontes y eucariontes.
El ADN en procariontes se presenta como una ÚNICA molécula CIRCULAR, en tanto el ADN eucarionte es de estructura lineal. Las células eucariontes poseen usualmente más de una molécula de ADN en sus núcleos. Cada molécula corresponde a un cromosoma. El ADN eucarionte se halla asociado íntimamente a diferentes proteínas (histonas) en las cuales las histonas juegan el papel mas importante en lo que respecta el empaquetamiento del ADN, no se verifica en el ADN procarionte, por lo cual se lo ha denominado ADN Desnudo. En las células eucariotas los cromosomas están confinados en el compartimiento nuclear, donde tiene lugar la transcripción, mientas que la traducción se localiza en el citoplasma; ambos procesos se encuentran separados espacial y temporalmente.
En las células procariontes donde no existe la envoltura nuclear, el ADN esta en contacto directo con el citosol, y los procesos de transcripción y traducción no se hallan separados en espacio ni tiempo. Los eucariontes tienen genomas muchos más grandes que los procariontes.

Complejidad del genoma eucariota

En el ADN del genoma eucariota se distinguen 3 tipos de secuencias
• Altamente repetidas
• Medianamente repetidas
• No repetidas o de copia única.

ALTAMENTE REPETIDAS: representan casi el 10% del ADN de los vertebrados. Son secuencias cortas y se repiten en forma consecutiva y sin interrupción. Se hallan en la heterocromatina. Dentro de estas secuencias hay diferentes categorías:
- ADN Satélite: grupos amplios, su masa es distinta y al someterse a centrifugación se separan en bandas distintas. Corresponde a esta categoría el ADN de los centrómeros.
- ADN Minisatélites: abarcan secuencias de alrededor 15 pares de bases
- ADN Microsatélites: son repeticiones de 2 a 5 pares de bases.

MEDIANAMENTE REPETIDAS: representan entre el 20 y 80% del ADN total, comprende secuencias de cientos de bases de longitud. Pertenecen a distintas familias, cuyas copias NO se ubican en tandem sino se ubican dispersas a lo largo del genoma. Algunas familias codifican productos conocidos y otras carecen de funciones codificadores

- CON FUNCIÓN CODIFICADORA: están incluidas en este grupos las secuencias que codifican los ARNt y ARNr y los genes de histona
- SIN FUNCIÓN CODIFICADORA: corresponde la mayor parte del ADN medianamente repetido. Son secuencias dispersas de dos tipos. ECIN (elementos cortos interpuesto) y ELIN (elementos largos interpuestos. Se desconoce su funcion.

DE COPIA ÚNICA: comprenden a las secuencias de nucleótidos que codifican proteínas


El proceso de transcripción

Esta consiste en la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN.
Involucra la participación de una enzima ARN POLIMERASA ADN DEPENDIENTE. Esta sintetiza una cadena de ARN cuyo inicio, terminación y secuencia de bases viene determinados por el propio gen.
El primer paso es la unión de la enzima ARN polimerasa a una región del gen que se llama PROMOTOR.
El PROMOTOR es una secuencia específica de bases con alta afinidad por la enzima, por lo que proporciona a la misma su sitio de unión al ADN. Es asimismo una señal que indica cual cadena se ha de transcribir.
La TRANSCRIPCION usualmente es asimétrica, solo se transcribe una de las dos cadenas que forman cada gen. La cadena que actúa como plantilla es la cadena molde, negativa o no codificante; la hebra no transcripta, complementaria de la anterior, se denomina antimolde, positiva o codificante. La ARN polimerasa se desplaza sobre la cadena molde, recorriéndola en dirección 3’ 5’ o rio abajo, transcribiéndola a partir del nucleótido que el promotor señala como PUNTO DE INICIO DE LA TRANSCRIPCIÓN.
La ARN polimerasa solo puede desplazarse y transcribir si previamente la doble hélice sufre un desenrollamiento y fusión. La misma enzima cataliza ambos procesos, generado hacia el extraño 3’ una BURBUJA DE TRANSCRIPCIÓN. Esa burbuja a medida que progresa la fusión por delante de ella, la doble hélice se recompone por detrás. La formación de la burbuja causa una súper torsión o súper enrollamiento de la doble hélice en los sectores ubicados en el extremo 5’ del molde. Este fenómeno es corregido por la ACCIÓN DE UNA ENZIMA TOPOISOMERASA I.
Cuando el molde ya ha sido desapareado de la burbuja de transcripción y expone sus bases. Estas son reconocida por la ARN polimerasa. A medida que la enzima lee la plantilla coloca junto a cada base de la misma el RIBONUCLEÓTIDO TRIFOSFATO portador de la base complementaria. A los extremos desoxirribonucleico de A, T, C Y G se le aparean, respectivamente, los ribonucleótidos de U, A, G y C mediante puente hidrogeno. Una vez ubicados los dos primeros ribonucleótidos, la enzima cataliza la formación del PUNTE FOSOFODIESTER entre ambos, iniciándose la cadena de ARN. El enlace se produce entre el hidroxilo en posición 3’ del primer nucleótido y el grupo fosfato interno, en posición es liberado como producto y escindido rápidamente en dos fosfatos por la acción de una pirofosfatasa. Dicha ruptura es exergónica. Se favorece la síntesis, por lo tanto, los mismos sustratos son los que, por estar trifosfatados, aportan la energía necesaria para su polimerización. De modo que el ARN crece en forma antiparalela a su molde. La dirección de la síntesis del ARN es 5’ 3’.
Los nucleótidos recién incorporados al ARN forman una hélice corta ARN-ADN con su plantilla. Esta hélice hibrida es transitoria. La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza una señal (secuencia especifica de bases del ADN) que actúa como señal de terminación. El producto obtenido, un ARN transcripto primario, resulta una copia complementaria y antiparalela de una región del gen comprendida entre el punto de inicio y la señal de terminación. El transcripto primario repite la dirección y la secuencia de la hebra no copiada o antimolde; justifica las denominaciones de hebra positiva o codificante. Hemos omitido, las regiones reguladoras de los genes, bajo cuyo control se encuentran los acontecimientos analizados.

Transcripción en Procariontes

Presentan un solo tipo de ARN polimerasa que sintetiza los diversos ARNs. Se trata de un complejo proteico oligomérico constituido por 5 tipos de subunidades: ’yexisten dos copias de  y las restantes una. Todas conforman un núcleo enzimático, salvo . Este núcleo es capaz de efectuar la transcripción. El núcleo de la enzima es incapaz de reconocer los sitios correctos donde iniciar la transcripción. Si la unidad se asocia al núcleo enzimático antes de su unión con el ADN, se conforma una Holoenzima, capaz de leer adecuadamente las secuencias promotoras. Por lo tanto se comporta como un factor de inicio de la transcripción.
Los promotores bacterianos constan de dos secuencias de bases conservadas o secuencias consenso indispensable para la unión de la holoenzima y la señalización del punto de inicio. Las secuencias de consenso son TATAAT, conocida como Pribnow y TTGACA. Además de actuar como sitios de reconocimiento funcionan como sitios de control de la expresión genética. Las bacterias poseen diferentes factores que reconocen distintas versiones de la secuencia TTGACA en los promotores. Cada factor transcribe determinados grupos de genes. Este mecanismo les permite a las células contar con bacterias de proteínas según la situación. Cuando se inicia la transcripción, la holoenzima ARN polimerasa forma un complejo con la región de la doble hélice donde se ubica el promotor. Es un complejo promotor cerrado al principio, pero después la enzima cataliza el desenrollamiento del ADN, dando al complejo promotor abierto. Cuando el transcripto ha añadido alrededor de 8 nucleótidos, el factor  se disocia de la ARN polimerasa, la transcripción es continuada por el núcleo de la enzima.
Las señales de terminación son de dos clases; independientes de la proteína rho y dependientes de la proteína rho.
La Independiente: la secuencia de terminación en el molde de ADN contra de dos serias simétricas de repeticiones del par GC, seguidas por A. la secuencia CG repetida en la terminación del ADN le permite la autocomplementaridad, es decir, la C y G de la misma cadena se aparean entre s mediando pts de H, dando origen a una estructura tallo-bucle. Dicho plegamiento en el ARN transcripto impediría el avance de la ARN polimerasa. La Dependiente: también requieren secuencias que dan lugar a la formación de una estructura autocomplementaria tallo-bucle en el extremo 3’ del ARN. La proteína se enlaza fuertemente a la cadena de ARN y se desliza sobre ella hidrolizando ATP, hasta alcanzar el extremo 3’ produciendo la liberación del transcripto.

La Transcripción en Eucariontes

Es llevada a cabo por tres tipos de enzimas ARN polimerasa, cada una especializada en la síntesis de diferentes tipos de ARNs. Todas sus proteínas cuaternarias, constituidas por distintas subunidades. Las ARN polimerasa eucariotas se denominan en I, II y III.
La ARN polimerasa I se localiza en el nucleolo, productos transcriptos ARNr 45 S (grandes). No se ve afectada a la sensibilidad  amanitina (toxina producida por un hongo que afecta la actividad enzimático) La ARN polimerasa II se localiza en el núcleoplasma, productos transcriptos ARNm, la mayoría de los ARNpn (pequeños nucleares). Muy sensible a la  amanitina (toxina producida por un hongo que afecta la actividad enzimática).
La ARN polimerasa III se localiza en el núcleoplasma, productos transcriptos ARNt, ARNr 5 S, ARNpc (pequeños citoplasmáticos) y el resto de los ARNpn. Moderadamente sensible a la  amanitina (toxina producida por un hongo que afecta la actividad enzimática).
Las ARN polimerasa procariotas reconoce al promotor e interactúa con el en forma directa. Las eucariotas solo se unen al promotor por medio de proteínas denominadas factores basales de transcripción, y son específicos. Las células eucariotas poseen además factores de transcripción específicos, las cuales relacionan a los factores basales con las regiones reguladores de un gen. Se comportan como proteínas reguladoras de genes que controlan la tasa de transcripción.
Las señales para la transcripción son reconocidas por las distintas ARN polimerasas, difieren de las procariotas tanto en su secuencia de bases, como en su ubicación dentro del gen.
Los promotores para la ARN polimerasa II se ubican río arriba del pinto de inicio de la transcripción y suelen comprender 3 sitios. La caja TATA o Hogness-Goldberg, secuencia consenso heptanucleotídica formada por restos de timina y adenina. La mayoría están flanqueadas por secuencias ricas en GC. Su papel es el de alinear a la ARN polimerasa para que la transcripción se inicie en el sitio correcto. Otros sitios del promotor son las cajas CAAT y GC.
Las transcripción se inicia con la inserción de un ribonucleótido de pase púrica y el ARN transcripto primario o PRE-ARNm es de mayor longitud que el correspondiente mensajero maduro. El extremo 5’ del PRE-ARNm será también modificado, y tendrá lugar antes de que finalizada la transcripción, cuando conste de unos 30 nucleótidos.
La señal de terminación es desconocida. Pero la secuencia AAUAAA de los ARNm es reconocida por una endonucleasa, poniendo fin al transcripto primario. La secuencia AAUAAA es la señal de poliadenilación, que servirá para indicar el sitio correspondiente a la poliadenilación, un tercer proceso de modificación de los transcriptos. Existen excepciones como que no haya señal de poliadenilación en los genes que codifican histonas; en algunos genes hay mas de una señal lo que da de producto pueden ser dos diferentes, dependiente de la señal reconocida.

El código genético

En él están presentes las 4 bases que forman las cadenas de ARN, pero son siempre agrupaciones de 3 o tripletes de bases, llamadas codones en las moléculas de ARNm; y designados por dichas palabras son cada uno de los 20 aminoácidos que componen la proteína. El código genético emplea codones diferentes para nombrar a un mismo aminoácido. La mayoría de los aminoácidos están codificados por más de 1 codón: existen codones sinónimos. La presencia de codones sinónimos en el código genético habla de una degeneración. La sustitución de una sola base en un codón frecuentemente da por resultado otro codón que especifica al mismo aminoácido. Aminoácidos de propiedades semejantes son codificados por codones semejantes. El código no es ambiguo, en tanto cada codón especifica a uno y solo a un aminoácido. Los codones que codifican aminoácidos suman 61. Los 3 codones que no especifican ningún aminoácido; UGA, UAG y UAA, actúan como señales de terminación en la traducciones o síntesis de proteínas. Son llamados codones de terminación o Stop. El código genético es universal, lo cual prueba de que todos los organismos comparten un mismo origen. Una de las contadas excepciones a la universalidad del código es el ADN mitocondrial, en el cual algunos codones son leídos de manera diferente.

El marco de lectura

Los ARNm portan un codón, el AUG (codifica mitionina), que es interpretados por los ribosomas como un codón de iniciación. Este codón da el marco de lectura que será empleado de allí en más. El ribosoma se desplazara a lo largo del ARNm en bloques consecutivos de tripletes, garantizando la lectura de los codones apropiados. El código es leído sin acoplamiento. Esto significa que cada nucleótido del mensaje es utilizado como componente de un solo codón.

Características del código genético

• Consta de 64 codones o tripletes de base
• 61 codones que codifican aminoácidos
• 3 codones que funcionan como señales de terminación
• No es ambiguo ya que cada codón especifica a un solo aminoácido
• Es degenerados ya que un aminoácido puede estar codificando por diferentes codones
• Es universal
• Utiliza un marco de lectura establecido al inicio de la traducción y no lo modifica
• No se produce solapamiento de codones.

Maquinaria traduccional

Implica el funcionamiento coordinado de u gran numero de moléculas. Una vez transcriptos cada ARN sufre una serie de modificaciones cuyas características difieren según sea eucariota o procariota.

ARNm: Son moléculas lineales de cadena simple en donde residen las instrucciones para la elaboración de un producto proteico. Los ARNm son secuencias continuas de codones que se extienden desde el principio al fin del mensajero genético, dictando con exactitud la secuencia lineal de aminoácidos de una cadena polipeptídica en particular. Esta se lee en sentido 5’-3’. En principio de la secuencia se presenta un codón iniciador (AUG) y de terminación (UAG, UAA, UGA). Además de la región codificadora, presenta sectores denominados secuencia directora y seguidora. Estas no se traducen en proteínas aun cuando forman parte del ARNm transcripto del gen.

ARNm Eucariota
Presentan la secuencia del mensaje interrumpido, es decir, existe a lo largo de la molécula sectores que codifican para la proteína, llamados Exones, con secuencias intercaladas sin información denominadas Intrones. Los ARNm transcriptos primarios sufren una serie de modificaciones post-transcripción antes de salir al citoplasma como ARNm maduro. El agregado de moléculas en los extremos 5’-3’ llamados Capping y poliadelinación.
Capping: se adiciona en el extremo 5’ del ARNm una molécula de 7 metil-guanosina (nucleótido metilado). Por ser esta modificación simultánea a la transcripción se la considera co-trancripcional. El capping impide la degradación del ARNm inmaduro por nucleasas y fosfatasas nucleares. También participa en la remoción de intrones y en el inicio de la traducción.
Poliadenilación: agregado de alrededor de unas 250 adenosinas o cola poli A en el extremo 3’ del ARNm. P5resenta una secuencia especifica AAUAAA conocida como señal de poliadenilación. Una nucleasa corta al pre-ARNm a unos 20 nucleótidos después de la señal. Una vez liberado el pre ARNm, la enzima poliA-polimerasa le agrega las adenosinas de a una por vez. Este último tramo del ARN es totalmente infructuoso, pues resulta rápidamente degradado por nucleasas y fosfatasas. La función de la cola poliA es proteger el extremo 3’ de la degradación y ayudar a los ARNm a salir del núcleo. Carecen de la cola poli A los ARNm de histonas, dado que no presentan la señal de poliadenilación.
Otra modificación significativa afecta a la secuencia codificadora, que sufre n acortamiento producto de la eliminación de los intrones, quedando como producto final los exones empalmados en secuencia continua. Este tipo de procesamiento se llama empalme (splicing). Para que madure el pre-ARNm se necesita de una ribonúcleoproteína nuclear: las RNPpn (snRNP). Estas partículas ricas en uridinas y diversas proteínas se combinan de a una por vez en los extremos de cada intrón. El complejo resultante del ensamblado de las distintas RNPpn se denomina espliceosoma. Estos serian los responsables de reconocer las secuencias señalizadotas de corte, escindir a intrones y empalmar a los exones, producciones una molécula de ARNm maduro. Los ARNm maduros son monocistrónicos, es decir, el sector codificador dicta la secuencia para una sola cadena polipeptídica.

Mecanismo molecular de splicing
Los intrones son clivados???… del transcripto primario por las RNPpn que reconocen cortas secuencias conservadas dentro del intrones y en los límites con los exones
• Secuencia de GU en el extremo 5’
• Secuencia de AG en el extremo 3’ del intrón o sitio aceptor
• Secuencia reconocida como sitio de ramificación que se localiza en el interior del intrón.
En la primera etapa los RNPpn reconocen al sitio dador y otro se enlaza al sitio de ramificación. En la segunda etapa se da el reconocimiento del extremo 3’ por parte de otra RNPpn y se produce el corte en el extremo 3’ del intrón. Seguido por el empalme de los dos exones. Así se libera el ARNm maduro del espliceosoma.

ARNm Procariota
Presentan secuencias codificadoras continuas, pero carecen de intrones. No sufren modificaciones post-transcripcionales. Muchos ARNm son policistrónicos, es decir, que una sola molécula de ARNm contiene información para varias proteínas. Posee codones para la iniciación y terminación entre las secciones codificadoras de proteínas.

ARNt: son molécula adaptadoras, ya que interactúan por un lado con la cadena polinucleotídica (ARNm) y por otro lado con los aminoácidos que formaran parte de la cadena polipeptídica, así alinean a los aminoácidos siguiendo el orden de los codones del ARNm. Entre sus bases el enlace es puente hidrogeno, con disposición espacial en forma de trébol. Interacciones posteriores doblan la estructura de trébol formando una L. En esta molécula se distinguen dos extremos: el 3’ como aceptor de la molécula, se encuentra el trinucleótido CCA que representa el sitio de unión donde se liga el aminoácido. Esta unión es catalizada por una enzima aminoacil-ARNt sintetasa específica y apropiada para cada uno de los 20 aminoácidos. En el 5’ se localiza el triplete de nucleótidos conocido como anticodón, cuya secuencia varia co cada tipo de ARNt. Cada anticodón es complementario de un codón de ARNm. Los ARNt deben:
• Ser reconocidos por un aminoacil ARNt sintetasa que lo una al aminoácido correcto.
• Debe tener una región que actué como sitio de unión para el aminoácido.
• Debe tenar una secuencia complementaria (anticodón) especifica para el codón del ARNm correcto.
Las modificaciones que sufren los pre-ARNt son semejantes en procariontes y eucariontes en cuanto se producen escisiones y modificaciones químicas. Algunos genes para el ARNt presentan un intrón que interrumpe la secuencia codificadora, el cual es removido post-transcripción.

ARNr: junto a proteínas, son los componentes de los ribosomas. Los ribosomas y los ARNt intervienen en la traducción de la información codificada en el ARNm, por lo cual los primeros son considerados fábricas de proteínas. Cada ribosoma consta de dos subunidades: la mayor y la menor. Dentro de cada ribosoma hay dos huecos llamados sitios A (aminoacídico) y P (peptidílico), para el ingreso de los ARNt unidos a sus correspondientes aminoácidos. Las subunidades trabajan conjuntamente. La menor aloja a los ARNm sobre el cual se acomodan los ARNt para que puedan unirse los aminoácidos que transportan. La mayor cataliza la unión peptídica de los aminoácidos gracias a la acción de la peptidil transferasa (enzima que forma parte de la estructura de esta subunidad). Si bien cumplen idéntica función, los ribosomas procariotas y eucariotas se diferencian en su tamaño, coeficiente de sedimentación, y el tipo y numero de molécula de ARNr y proteínas que lo forman. Todos los ARNr procariotas y eucariotas sufren modificaciones post-transcripción. En eucariotas los ARNr 18s; 5,8s y 28s son transcriptos de un mismo gen que codifica para un pre-ARNr 45s. La síntesis de este transcripto primario se realiza en la zona fibrilar del nucleolo a partir de la ARN pol I. luego se eliminan las secuencias espaciadoras las que serán degradadas por enzimas. Las secuencias resultantes utilizables de ARNr (28s; 18s y 5,8s) son metiladas y junto al ARNr 5s extranucleolar, se ensamblan a proteínas importadas del citoplasma para conformar las subunidades ribosómicas. Las subunidades ribosómicas en distintos estadios de ensamblaje, se localizan en la periferia del nucleolo, conformando la zona granular del mismo. Finalmente, las subunidades ribosómicas por separado y antes de completar su ensamblado son exportadas al citoplasma a través del complejo del poro, concluyendo el procesamiento de cada subunidad en el citosol.

Los ARN pequeños: forman complejos con proteínas específicas dando lugar a la conformación de RNP. Las RNP localizadas en el núcleo son las RNPpn, participan en el procesamiento de los ARNm. Estas forman un complejo miltienzimatico denominado espliceosoma, encargado de realizar cortes y empalmes en los ARN transcritos primarios (splicing). Los RNP localizados en el citoplasma se denominan RNPpc, la función mas conocida es la que desempeña el complejo ARN/proteínas que componen la partícula de reconocimiento de la señas (SRP).

El proceso de la traducción o síntesis proteica

La síntesis proteica consiste en la traducción de la información codificada en la secuencia de nucleótidos del ARNm, en la secuencia correspondiente de aminoácidos en una cadena polipeptídica. La síntesis se lleva a cabo en los ribosomas. La síntesis incluye:
• Activación de los aminoácidos o aminoacilación: antes de la traducción cada ARNt se engancha a su aminoácido especifico, esta aminoacilación es catalizada por las encimas aminoacil ARNt sintetisas. El proceso de aminoacilación ocurre en 2 etapas:
En la primera fase se utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para unir cada aminoácido a un AMP. Da origen a un complejo intermediario denominado aminoacil-AMP.
En la segunda fase, sin abandonar la enzima, se transfiere el aminoácido del complejo al ARNt específico, lo cual origina la molécula final Aminoacil ARNt. Esta presenta dos sitios activos, uno para la unión y otro para su aminoácido especifico. Una vez acoplado el aminoácido a su ARNt, el complejo aminoacil ARNt se una a una secuencia de nucleótidos complementaria (codón), en el ARN.
• Traducción del ARNm: se puede describir en 3 etapas, en todas requiere la presencia de un complejo sistema de proteínas citoplasmáticas conocidas como factores.
* Iniciación: lo constituye el complejo de iniciación, disparados de la síntesis proteica. Este esta compuesto por una molécula de ARNm, una subunidad mayor, menos, ARNt iniciador (cargado con metionina en eucariontes y N-formilmetionina en procariontes) y factores proteicos de iniciación.
* Elongación: crecimiento de la proteína, consiste en tres pasos:
*Terminación de la síntesis proteica.

INICIACION
1- El aminoacil ARNt iniciador se una a la subunidad menor por acción del factor iniciador con gasto de GTP. 2- Los ARNm se acopla a la subunidad menor con la participación de los factores de iniciación 4 y 3. El ARNm para unirse a la subunidad menor debe ser reconocido por la FI4, responsable de enlazarse a la CAP y a los nucleótidos contiguos del extremo 5’ del mensaje.3- La subunidad menos se desliza sobre el ARNm hasta localizar al codón de iniciación AUG, en el cual el acoplamiento de bases codón-anticodón iniciador se produciría por un emparejamiento de bases que preceden a AUG del ARNm con el extremo 3’ de la subunidad menor. 4- una vez acoplado se establece la pauta de lectura correcta para el resto de los codones que contenga la región codificadora del ARNm. 5- se liberan los FI y con la ayuda del FI5 se acopla la subunidad mayor, quedando el aminoacil-ARNt iniciador en el sitio P del ribosoma. Todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina con residuo amino terminal, que es siempre eliminada por una aminopeptidasa específica.
[En los eucariotas cada molécula de ARNm se sintetiza una sola cadena proteica. Los ARNm son monocistrónicos. En procariotas pueden originarse varias cadenas polipeptídicas a partir de un ARNm, por ser policistrónicos].
ELONGACION
1- Una molécula de aminoacil ARNt ingresa al sitio A vacante del ribosoma, acoplándose por complementariedad de las bases al segundo codón del ARNm expuesto en ese lugar. Esta reacción requiere la intervención de un factor de elongación y GTP. 2- El aminoácido iniciador se desacopla del ARNt del sitio ‘, liberando energía que se utiliza en la formación del enlace peptídico entre los dos aminoácidos alineados. Esta reacción es catalizada por una peptidil transferasa integrante de la subunidad mayor. Como consecuencia el ARNt iniciador del sitio p queda sin aminoácido y el dipéptido resultante queda enganchado al ARNt del sitio A (peptidil ARNt). 3- El nuevo peptidil ARNt del lugar A es translocado al lugar P cuando el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos a lo largo de la molécula de ARNm. Esta etapa requiere de energía y la presencia del factor EF2 (EFG en procariotas).
TERMINACIÓN
1- La finalización de la síntesis proteica ocurre ante la llegada, al sitio A del ribosoma, de uno de los 3 codones stop estos son reconocidos por el factor de terminación eRF 1 (1 y 2 en procariotas). La eRF 1 modifica la actividad de la peptidil transferasa, la adicional agua al peptidil ARNt en lugar de un nuevo aminoácido.
2- Como consecuencia de esta reacción el polipéptido se desacopla del ARNt, liberándose en el citoplasma. El ARNm se desacopla del ribosoma y se disocian la dos subunidades.

La síntesis proteica consume más energía que cualquier otro proceso anabólico. Para cada enlace peptídico hay 3 enlaces de alta energía: uno en la activación del aminoácido, otro en la unión del aminoacil ARNt a la subunidad menor del ribosoma y el último en la translocación del ribosoma.

Polirribosomas

Se denomina así al grupo que traducen simultáneamente el mismo mensaje. Los ribosomas en esta unidad estructural operan independientemente sintetizando una cadena polipeptídica completa.
En los eucariotas la envoltura nuclear y la maduración que sufren los ARNm impiden su traducción inmediata, es decir es leído después de abandonar el núcleo a través de los poros nucleares. La traducción por lo tanto es post-transcripcional.
En los procariotas la traducción es simultanea a la transcripción, esto es, mientras se esta terminando de transcribir e extremo 3’, el 5’ libre del ARNm se asocia a un ribosoma y al ARNt iniciador comenzando la traducción.


La fidelidad de la traducción

La unión del aminoácido a su ARNt correspondiente o aminoacilación. En esta etapa la actividad correctora de las enzimas aminoacil-ARNt sintetasa minimizan los errores en la selección del aminoácido correcto.
El apareamiento de la base codón-anticodón. En este punto de control participa el factor de elongación EF1 (EF-Tu en procariotas) que forma complejo con el aminoacil-ARNt-y el GTP. Este complejo y no el ARNt libre es el que se une al codón correspondiente en el ARNm.


REGULACIÒN EN PROCARIOTAS: EL OPERÒN

Se considera que la expresión génica está regulada principalmente a nivel de la transpiración.
Esta capacidad de un organismo para regular la expresión de sus genes incrementa su aptitud para crecer y dejar progenie en cualquier tipo de condiciones ambientales. La síntesis de transcriptos de genes y proteínas requiere un considerable gasto de energía. Evitar gastar energía o utilizarla en vías metabólicas de moléculas que maximicen la tasa de crecimiento en su medio circundante. En bacterias, los genes que codifican para la síntesis de enzimas que participan en una vía metabólica, se agrupan en los cromosomas en un complejo denominado OPERÔN. Todos los genes del operón actúan como unidad coordinados mediante un mecanismo de control.

Un operón típico consta de:

• Genes estructurales: son los genes que codifican para las enzimas de las vías metabólica, son transcriptos en una sola molécula de ARNm policistrónico.
• Promotor: es la secuencia de nucleótidos del ADN en donde se une la ARN polimerasa para iniciar la transpiración.
• Operador: es una secuencia de nucleótidos que se interpone entre el promotor y los genes estructurales, en donde se inserta una proteína reguladora denominada proteína represora.
La proteína represora es codificada por el gen regulador, localizado, aguas arriba del sitio operador.
OPERON LAC. Éste es un conjunto de genes que intervienen en la utilización de la lactosa, por parte de la bacteria como fuente de energía. Las tres enzimas que intervienen en la vía de degradación de la lactosa son: la enzima permeasa, la beta galactosidasa y la transacetilasa. Formado por tres estructurales dispuestos en serie (z, y, a).La transpiración de estos genes da origen a una molécula de ARNm que codifica para la tres enzima que participan de la misma vía metabólica. En ausencia de lactosa, el represor se enlaza al operador e impide a la ARN polimerasa insertarse en el sitio promotor, con lo cual se interrumpe la transpiración.
El represor ejerce su influencia mediante control negativo, inhibe la expresión del operón.
En presencia de lactosa, este disacárido se une a la proteína represora, provocándole un cambio conformacional e incapacitándola para unirse al ADN del operador. En estas condiciones, se transcriben los genes estructurales, apareciendo en el citosol las enzimas que degradaran a la lactosa. El operón lac es un ejemplo de operón inducible, la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transpiración de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Este efecto se da cuando en el medio hay glucosa. Cuanto menor es la concentración de glucosa en medio, mayor es la concentración de AMPc, el cual tiene influencia en el “encendido” del operón lac.
El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPc denominada CAP. El CAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la ARN polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón. Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que este presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja.
Existen dos tipos de operón, por ejemplo el Triptófano, se caracteriza por ser reprimible, consiste en 5 genes estructurales que codifican para las enzimas involucradas en la biosíntesis del aminoácido triptófano. Se agrupan dichos genes con un solo promotor y un operador. Un gen regulador se localiza fuera del operón y codifica para la síntesis de una proteína represora. En ausencia del Triptófano, la ARN polimerasa se une al promotor y transcribe los genes estructurales en un ARNm policistrónico. Ya que el represor inactivo no logra unirse por si solo al operador. En presencia de Triptófano, el aminoácido (co-represor) se une a la proteína represora constituyendo el complejo represor/co-represor. Este reconoce la zona operadora a la que se fija, impidiendo a la ARN polimerasa transcribir los genes estructurales. Con este mecanismo de regulación la bacteria ahorra energía, sintetizando Triptófano solamente cuando esta sustancia, esencial en su crecimiento, esta ausente en el medio ambiente.
Operón Lac: operón inducible, se expresa en presencia de lactosa; la lactosa es el inductor, el represor se sintetiza en forma activa, actúa solo. Sus enzimas participan en una vía catabólica. Degradación de lactosa obteniendo energía.
Operón Triptófano: operón reprimible, se expresa en ausencia de Triptófano, este es el co-represor, el represor se sintetiza en forma inactiva, actúa en presencia del co-represor. Sus enzimas participan en una vía anabólica. Biosíntesis de Triptófano esencial para el crecimiento de las bacterias.

Regulación en Eucariotas

Si bien los mecanismos mas importantes de control son los que actúan a nivel transcripcional, es importante destacar que pueden producirse regulaciones durante el procesamiento o maduración del ARNm o bien controlando su pasaje a citoplasma o su supervivencia en el citosol. En algunos casos, los controles actúan a nivel traduccional o regulando la actividad de la proteína.

1* Mecanismos de control a nivel transcripcional

• Los factores de transcripción y la expresión genética

Una secuencia promotora o promotor; secuencia de nucleótidos necesarias para la fijación de la ARN polimerasa.
Secuencias reguladoras: Intensificadoras secuencia que estimulan la transcripción, que se localizan río arriba o abajo del promotor. Silenciadoras secuencia que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor.
Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el sitio promotor
Factores específicos de transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras.
Proteínas activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen.
Proteínas represoras: interactúan con las secuencias silenciadoras del gen.
Estas proteínas interactúan con regiones específicas del surco mayor del ADN que corresponden a las zonas reguladoras del gen. La geometría de la molécula posibilita dichas interacciones. Estas se producen por uniones covalentes del tipo puente hidrogeno, uniones iónicas e hidrofóbicas. Los factores de transcripción regulan la expresión de un gen eucariota, dependiendo de la actividad conjunta de los factores de transcripción unidos a las secuencias reguladoras. Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores. Cada célula transcribe y expresa distintas proteínas.
La unión de los factores al sitio promotor provoca un cambio conformacional que pliega al ADN entre las secuencias reguladoras y promotoras, formando un asa. Este plegamiento permite contactar a los factores específicos, unidos a las regiones reguladoras, con una o más proteínas blanco asociadas al complejo de transcripción basal. Cuando esto ocurre, se estimula la transcripción por parte de la ARN polimerasa, la que se desplaza copiando la regiones codificadora del gen.

• La estructura de la cromatina y la expresión genética

Se supone que el grado de compactación de la cromatina desempeña un importante papel en la expresión genética. Existen dos tipos de cromatina: Eucromatina: transcripcionalmente activa, mas desplegada; Heterocromatina: inactiva y mas condensada. La transcripción solo ocurre cuando el ADN esta desplegado. El gen para la hemoglobina estaría en estado heterocromatina en la célula epitelial y por lo tanto no disponible para su expresión.

• El grado de metilación y la expresión genética:
En algunos eucariontes la presencia de grupos metilos afecta su expresión. La metilación ocurre en las citosinas que forman parte del dinucleótido -CG- dentro de secuencias especificas. La mayoría de los genes que no se expresan están metilados, mientras que en otras células en donde esos genes se expresan se advierte una disminución de sus niveles de metilación.

2* Mecanismos de control a nivel procesamiento del ARNm

El mecanismo por el cual puede obtenerse de un mismo gen dos proteínas relacionadas se denomina empalme alternativo. Este proceso consiste en unir covalentemente diferentes combinaciones de exones del pre-ARNm obteniéndose dos ARNm maduros con distinta información y por lo tanto dos productos proteicos que difieren en uno o mas tramos de su secuencia aminoacídica.

3* Mecanismos de control a nivel de la traducción.

La tasa de traducción del ARNm que codifica para la proteína ferritina, funciona capturando átomos de hierro por una proteína intracelular. La traducción del ARNm para esta es regulada por una proteína represora, la aconitasa, cuya actividad depende de la concentración de hierro libre en el citosol. Cuando la concentración intracelular de hierro es baja, aconitasa se una a una secuencia de nucleótidos especifica en el ARNm (elemento de respuesta al hierro –ERH-), provocando un plegamiento del mensaje a modo de bucle, que bloquea la traducción. Cuando aumenta la concentración de hierro en el citosol, este se asocia a la aconitasa, la cual cambia su conformación y pierde afinidad por el ERH. Una vez liberado el ARNm, comienza la síntesis de ferritina y su asociación con el hierro intracelular.

4* Mecanismos de control después de la traducción

Dos factores son determinantes de la vida media de una proteína citosólica: su correcto plegamiento y la secuencia aminoacídica de su extremo aminoterminal. Las chaperonas moleculares de diversos tipos se unen a la cadena en síntesis, ayudándola a adquirir la conformación nativa. Evita que el estado de agregación sea irreversible. Del extremo aminoterminal, existen secuencias aminoacídicas estabilizadoras, que asegurarían una vida media prolongada y otras desestabilizadoras, las cuales favorecerían la marcación de las proteínas en dicho extremo. Tal marcación la conduciría a su degradación. Esto es conocido como la regla del aminoterminal. Si una proteína adquiere un plegamiento anómalo, o se ha desnaturalizado, o bien su extremo aminoterminal esta desestabilizado, entonces esta pasa a un proceso de ubiquitinización. Consiste en la adición de varias moléculas de un polipéptido básico. La vía ubiquitina implica gasto de energía (ATP). Las proteínas desnaturalizadas son conducidas por chaperonas moleculares hasta una chaperona oligomérica o chaperonina. Estas pueden recuperar el plegamiento nativo de la proteína, en tanto se unan a ella en una etapa previa o temprana de la ubiquitinización. En caso contrario, la proteína ubiquitinizada, será captada por un complejo enzimático denominado proteasoma. Estos están formados por más de una docena de proteasas, se localizan sendos complejos regulatorios, formados por diferentes ATPasas. La proteína ubiquitinizada es reconocida por la partícula regulatoria del proteasoma perdiendo de plegamiento por acción de las ATPasas, con gasto de energía; donde las proteasas se degradan. Se produce oligopéptidos de aprox. 8 aminoácidos de long. La partícula regulatoria libera la ubiquitina para ser reutilizada.

Estabilidad del genoma

La información almacenada en el ADN se transcribe en ARN y se traduce en proteínas. La autoduplicación del ADN garantiza la transferencia vertical de dicha información. Hoy sabemos que tal estabilidad es debida al particular mecanismo de auto duplicación y a los sistemas de reparación que actúan sobre la molécula de ADN.

Procesos que mantienen la estabilidad del genoma

• Auto duplicación del ADN: la estructura del ADN permite la formación de replicas moleculares, pues cada una de sus cadenas proporciona el molde para la síntesis de la cadena complementaria. La enzima encargada de la auto duplicación del ADN en el periodo previo a la división celular, la ADN polimerasa, opera con una sorprendente fidelidad. También ejecuta la lectura de pruebas. La enzima revida el ultimo nucleótido añadido antes de ubicar el siguiente.
• Reparación del ADN: consiste en la corrección de errores sobre el ADN dañado por diversos agentes endógenos, a cargo de distintas bacterias de enzimas.

Algunos mecanismos que introducen variaciones en el genoma

• Mutaciones: son alteraciones de la información genética que pueden afectar a la línea germina, transmitiéndose a la descendencia, o bien a algunas células somáticas, en cuyo caso no pasan a la siguiente generación. Se originan en errores espontáneos de la autoduplicación o del crossing-over.
• Duplicación génica: (familias de multigenes) los multigenes son familias de genes relacionados que codifican productos proteicos diferentes y parecen derivar de un gen ancestral único. Pudieron originarse por un error crossing-over que introdujo dos copias del gen en un mismo genoma. Posteriores mutaciones divergentes y reordenamientos o translocaciones de dichas copias pueden conducir a la diversidad dentro de una flia.
• Pseudogenes: son secuencias nucleotídicas homologas a las de otros genes, pero con graves mutaciones que las excluyen funcionalmente.
• Mutaciones de microsatélites: ciertas regiones se encuentran secuencias de microsatélites, son sitios inestables que tienden a incrementar su número de copias en el genoma con mucha rapidez, en el transcurso de pocas generaciones. Se ha demostrado la relación entre el incremento de las copias de secuencias microsatelitales y distintas enfermedades hereditarias.
• Transposones: también llamados elementos genéticos móviles o saltarines. Son secuencias discretas de ADN que pueden replicarse o propagarse de manera aleatoria por el genoma de un individuo, insertándose en secuencias génicas, intergénicas o reguladoras de los genes. Se han transferido horizontalmente de una especie a otra.
• Virus y plásmidos: los virus pueden considerarse como elementos genéticos móviles, capaces de tomar parte del genoma de una célula y transferirla a otra en el transcurso de infecciones posteriores. Los plásmidos bacterianos son otro tipo de secuencias de ADN capaces de auto replicarse. Se trata de segmentos circulares de ADN que pasan de una bacteria a otra en un proceso de conjugación, el cual implica un contacto directo entre ambas células. Tanto los virus como los plásmidos han podido tener un importante papel en la evolución de los organismos que actúan como anfitriones.

Mecanismos que afectan la expresión del ADN

• Impronta genética. Cada individuo porta dos versiones de cada gen (alelos), y la expresión o represión de estos alelos es independiente de su origen. En el caso de que los alelos está determinado cual alelo debe expresarse en virtud de su origen, el proceso comienzo durante la gametogénesis, cuando un cierto gen recibe la impronta en el espermatozoide o en el ovulo. Todas las células hijas llevaran la misma impronta. Esta reprime a los genes en la mayoría de los casos.
• Inactivación del cromosoma X: de la madre se expresan una de las dos versiones; la otra se inactiva tempranamente durante el desarrollo embrionario; mientras que la del padre solo una. Cual de las dos copias de cromosoma X se inactiva es una cuestión de azar. Todos sus descendientes tendrán el mismo cromosoma X inactivo. Por eso la inactivación del X crea clones con diferente contenido de X funcionales. Por lo tanto la expresión de sus rasgos, es llamado mosaico genético

UNIDAD 13

Ciclo celular

La división celular constituye el enlace entre un progenitor y su descendencia. Las etapas a través de las cuales pasa la célula desde una división celular a la siguiente constituyen el ciclo celular. Este ciclo se divide en dos fases: la Fase M (mitótica) y la Interfase. La Fase M consiste en dos procesos secuenciales: la división nuclear (cariocinesis) y la división citoplasmática (citocinesis). La mayor parte del trabajo necesario para la preparación de la división celular se produce durante la fase de crecimiento del ciclo celular que recibe el nombre engañoso de interfase. La síntesis de ADN, periodo Fase S (síntesis) del ciclo celular. El periodo comprendido entre la fase M y el comienzo de la Fase S, se denomina Fase G1, la cual permite el aumento de su volumen. El periodo comprendido entre la Fase S y la Fase M siguiente, se denomina G2, posee su conjunto cromosómico duplicado y realizara la síntesis de elementos requeridos para el desarrollo de la mitosis.

Actividad metabólica durante el ciclo celular

Durante la mitosis, se observa un marcado descenso en la velocidad de síntesis de proteínas y el cese de la síntesis de ARN. Durante G1 la célula duplica su masa, además de la síntesis activa de proteínas y ARN procederá a la duplicación de sus organelas citoplasmáticas. La síntesis de ADN y de sus proteínas asociadas, la replicación del material genético es el principal evento en la fase S, para que esto ocurra la cromatina debe ser laxa. El proceso de replicación es una vía endergónica y anabólica, los requerimientos metabólicos persisten a lo largo de esta etapa. Las histonas son proteínas que se asocian al ADN de eucariontes para formar la cromatina. La síntesis de las histonas ocurre solo en la fase S y por consiguiente también requerirá la síntesis de los ARNm específicos de dichas proteínas. Una vez concluida la duplicación, estos mensajeros son degradados. Por otro lado, si se inhibe la síntesis proteica en las células incluso hacia el final de la fase G2, se impide su entrada en M. Además algunos elementos cruciales de la complicada maquinaria del huso mitótico también sintetizan hacia el final de G2.

Variaciones del ciclo celular

En organismos unicelulares, la velocidad de la división celular suele estar limitada tan solo por la velocidad a la que los nutrientes se pueden absorber del medio y convertirse en materiales celulares. En los animales pluricelulares, la situación es bastante distinta. Usualmente G1 ocupa la mayor proporción de este tiempo y es precisamente la fase más variable. La duración de S esta determinada por el tiempo requerido para la duplicación de todo genoma. La fase G2 es la más corta de la interfase y la mitosis, de menor duración aun, es un breve periodo en el ciclo celular. No existe retorno una vez comenzada la duplicación en S.
Ciclo de células atípicas:
1. Algunos tipos de celulares con especialización estructural extrema; en la cual permaneciendo en un estado semejante a G1, son incapaces de proseguir a la fase S. estos se llama Gº.
2. Ciertos tipos pueden estar estimulados a abandonar Gº y reingresar al ciclo; normalmente no se dividen, pero puede iniciar la síntesis del ADN cuando se enfrentan a un estimulo apropiado.
3. La que pertenecen las células con nivel relativamente alto de actividad mitótica. Ciertos tejidos del cuerpo están sujetos a renovación continua y deben formarse permanentemente nuevas células mediante división celular.

No todas las células se dividen por mitosis. En organismos de reproducción sexual están las somáticas y las germinales. Las células somáticas forman parte de todos los tejidos y poseen el grado de ploidía correspondiente a esa especie. Estas aseguran la conservación del número cromosómico dividiéndose por mitosis. Las células germinales dan origen a las gametas que son las células encargadas de participar en la formación de los nuevos individuos de la especia. Deberán poseer la mitad del número cromosómico de la especie. Para obtener células con estas características a partir de las células germinales deberá realizarse una división celular diferente llamada meiosis.

Control del ciclo celular

1. En células normales

Hay dos sucesos en el ciclo de la célula sobre los cuales se enfocan estos mecanismos de control de la transición: uno es el inicio de la duplicación del ADN (entre G1 y S); y el otro es el inicio de la mitosis (entre G2 y M).

Factores promotores de la transiciones del ciclo celular

La fusión celular se desarrolla en presencia de agente que causan la unión de las membranas plasmáticas generando una celular hibrida llamada hererocarion (contiene dos o mas núcleos dentro de un citoplasma común rodeado por una única membrana plasmática). Cuando una célula en fase S se fusiona con una célula en G1, ambos núcleos en el heterocarion duplican su ADN. El regulador identificado se llama Factor promotor de fase S (FPS). Cuando una célula en fase S se fusiona con una en G2, en núcleo en fase S continua replicándose, pero el núcleo de G2 no se replica. Esto asegura que cada secuencia de ADN se replique solo una vez. El núcleo en fase S del heterocarion entra en mitosis mas rápidamente que lo que lo haría en su citoplasma original, pero el núcleo G2 no entra en mitosis hasta después que el núcleo en fase S haya completado su replicación. Cuando una célula mitótica se fusiona con otra célula en cualquier estadio de la interfase, ocasiona que el núcleo interfásico entre en una seudo-mitosis, caracterizada por la prematura condensación de los cromosomas (CPC). Esto sugiere que en las células en división esta presente un factor promotor de Fase M (FPM). Ambos inductores, FPS y FPM, son de vida media corta.

Regulación de la actividad de FPS y FPM
Son quinasas dependientes de ciclinas (CDKs), las quinasas son enzimas que catalizan la fosforilación de las proteínas. El termino ciclinas se acuño para indicar que la concentración de estas proteínas reguladoras se eleva y desciende siguiendo un patrón predecible conforme avanza el ciclo de la célula. Permitieron la definición de estados en los cromosomas que son esenciales para el inicio de la duplicación cromosómica en la fase S y la separación de cromátides hermanas en la fase M. la transición de G1 a S y de G1 a M son catalizadas por la fosforilación de sustratos claves mediados por CDKs. Este es en su forma activa un complejo compuesto por una subunidad catalítica, la quinasa y una subunidad regulatoria, la ciclina.
El FPS cataliza la transición de G1 a S por el complejo formado por la quinasa CDK2 y un tipo particular de ciclinas. Por parte de FPM, esta formado por la quinasa CDK1 y otro tipo de ciclina.
Las ciclinas juegan un rol esencial en la regulación de la actividad de la quinasa de las CDKs. Cuando la [ciclinas] es baja, la quinasa carece de la subunidad ciclina y como resultado es inactivo. Cuando la [ciclina] alcanza un nivel suficiente, la quinasa se activa y desencadena la entrada de la célula a la fase correspondiente. Las ciclinas son proteínas de expresión periódica y altamente regulada a través del ciclo celular. La actividad de la quinasa de las CDKs es dependiente de la presencia de ciclinas regulatorias en el complejo, la expresión regulada de las ciclinas provee el primer nivel de regulación de la actividad quinasa de las CDKs. Las quinasas cumplen un papel fundamental en las transiciones del ciclo celular, pero además requieren niveles adicionales de regulación que dependen de varios factores.
1* Fosforilación y desfosforilación de las subunidad catalíticas de las CDK
2* Presencia de proteínas inhibidoras capaces de interactuar con las CDKs
3* Proteólisis controlada de las ciclinas.

Control de la replicación

Sobre los orígenes de replicación del ADN se halla permanentemente unido a lo largo de todo el ciclo celular un complejo proteico. Esta conformado por múltiples subunidades y se denomina Complejo de Reconocimiento del origen de Replicación (CRO), determinando la adquisición de dos estadios bien diferenciados: 1) Pre-replicativo (preRC): Que lo capacita para la replicación del ADN, de modo que este proceso pueda ahora ser disparado por el FPS. 2) Post-replicativo (postRC): Que posibilita la transición hacia la fase M e impide la ocurrencia de una nueva replicación del ADN antes de que la célula se divida.
Para el ensamblado del Pre-Replicativo son necesarios dos grupos de proteínas además de CRO. El primer grupo son proteínas de vida media corta que sintetizan en G1 tardío, pero también en G2. Estas proteínas se pegan sobre los orígenes de replicación permitiendo así la unión de la segunda flia de proteínas durante la M tardía. Cuando se forma el complejo Pre-Replicativo dejando únicamente CRO unido al origen de replicación y llevando a los cromosomas al estado Post-Replicativo que se mantiene hasta la metafase. Se ha observado que la quinasa CDK2 solo induce la replicación cuando actúa sobre cromosomas en estrado Pre-Replicativo, mientras que la CDK1 induce eventos mitóticos en cromosomas en estado Post-Replicativo. Una vez alcanzado el estado Pre-Replicativo, la fase S comenzara cuando se active FPS. El complejo FPS dependerá de la presencia de su ciclina reguladora, pero la actividad esta a su vez regulado por un inhibidor. Cuando este se une al complejo FPS lo activa. Por Proteólisis deberá el inhibidor ser removido para que FPS sea activo y pueda promover entonces el inicio de la fase S. la entrada de la célula en mitosis esta regulada mediante la activación de FPM. Para el mismo pueda conformarse, deberán sintetizarse las ciclinas mitóticas, las que se asociaran a su CDK correspondiente. Una vez formado FPM, su activación dependerá de este caso de sucesivas etapas de fosforilación y desfosforilación del complejo, proceso regulado a su vez por otras ciclinas presentes en la célula. La activación de FPM inicia una cascada de fosforilaciones que lleva a la disolución de la membrana nuclear a través de la fosforilación de proteínas de la lámina nuclear y a la condensación de los cromosomas mediante la fosforilación de la histona H1. Se forma el huso y los cromosomas se alinean en la placa metafásica. Una vez que este proceso se completa, el FPM induce su propia desaparición al activar el sistema de destrucción de ciclinas mitóticas.

2. En células con Daño en el ADN

Las células utilizan mecanismos de vigilancia que controlan eventos claves del ciclo celular y permiten la transición solo si estos han sido completados. Se han desarrollado vías que posibilitan la integridad del genoma y frenar la progresión si se detecta algún daño. Estos mecanismos de vigilancia se conocen colectivamente con el nombre de puntos de control. Estos son vías inhibitorias. El daño del ADN o la inhibición de su replicación genera una señal de alarma llamada Respuesta SOS. En la misma, es inducido un grupo de genes que participan en la reparación del ADN o bien bloquean la división celular. Esta respuesta es equivalente a la activación de un punto de control. Detectado el daño se genera una señal que arresta las células en la fase G1, demorando la fase S y/o bloqueando la finalización de la G2.
La proteína p53 (producto de la expresión del gen supresor de tumores) es uno de los mediadores críticos de la respuesta celular. Es una respuesta al daño del ADN se observa una acumulación de p5. Esta proteína se una a secuencia específica del ADN actuando como activador de la transcripción de determinados genes. El aumento de p53 resulta en gran parte por mecanismos post-traduccionales que vuelven estable a la proteína, la cual en condiciones normales es rápidamente degradada. Es decir que se aumenta el nivel de la proteína alterando su vida media por modificaciones post-traduccionales. El aumento de p53 es transitorio y se correlaciona con la presencia del daño en el ADN. Una de las modificaciones post-traduccionales que alteran la función del p53 participa en un critico punto de control en respuesta de agentes de que dañan el ADN. Células expuestas a agentes genotóxicas entran en arresto dependiente de p53 en la fase G1. Esta pausa otorga a la célula la posibilidad de reparar su ADN antes de la replicación y división celular. En ausencia de p53, las células no frenarían en la progresión del ciclo celular. De esta manera, el daño y las mutaciones serian transmitidas a las células hijas. La inducción de p53 inhibiría la progresión del ciclo celular por activación de un gen que codifica para un pequeño inhibidor de quinasa (p21) el cual actuarían básicamente por dos mecanismos distintos:
a) Esta proteína interfiere en la progresión del ciclo celular e impide la entrada en S bloqueando la actividad de la quinasa dependiente de ciclina cdk2. Como consecuencia se acumulan las células en fase G1 tardía. El propósito de este punto de control de G1 es la regulación de la entrada en S e impedir que las células repliquen ADN mutado.
b) La p21 interacciona también con proteínas esenciales para la replicación del ADN tales como el componente PCNA de la ADN pol  de eucariontes.

La exposición de células a dosis relativamente bajas de radiación causa una demora en la división celular debido al arresto de la progresión de G2 a M. La hipótesis que en las células irradiadas la producción y/o activación de FPM seria demorada, ocasionando el bloqueo en la progresión a la fase M. La demora en G2 podría ser ocasionada tanto por reducción en los niveles de la ciclina como por una demora en la activación de FPM. Seria una forma en que el daño del ADN ocasiona arresto de células irradiadas en G2, siendo FPM el efector de dicho arresto.

3. perdida de control del ciclo celular: Cáncer

Es una enfermedad producida por alteraciones genéticas vinculadas con el control celular, resultando en la formación de tumores invasivos. El cáncer es producto de la acumulación de alteraciones genéticas en una célula. Las células normales pueden convertirse en cancerosas a través de la acción de diversas sustancias químicas, radiaciones ionizantes y algunos virus. Estas células cancerosas muestran anomalías cromosómicas numéricas y estructurales, capacidad de dividirse indefinidamente y desorganización del citoesqueleto. Los genes implicados en la cariocinogénesis se dividen en dos grupos: a) genes supresores de tumores y b) Oncogenes. Los a) actúan normalmente poniendo frenos a la proliferación celular y pierden su capacidad protectora cuando se alteran ambas copias del gen, lo cual indica que actúan de una manera recesiva. Por el contrario, los b) codifican proteínas que causan la perdida del control del crecimiento celular y es suficiente la alteración de solo una copia para que se exprese un fenotipo alterado, actúan de manera dominante. Estos representan versiones alteradas de los llamados protooncogenes, los cuales codifican proteínas vinculadas al normal control del ciclo celular. Un gen supresor de tumores que aparece con mayor frecuencia vinculado con el cáncer humano es el de la proteína p53 cuya importancia es en el control del ciclo celular. Otros genes son PAC, vinculado al cáncer de colon, y BRCA 1 y 2, vinculados con el desarrollo del cáncer de mama. Los oncogenes no han sido vinculados con formas hereditarias de cáncer. Algunos codifican para factores de crecimiento o sus receptores. Otros codifican para proteínquinasas citoplasmáticas. O para proteínas que actúan como factores de transcripción.

Funciones de p53: proteína multifuncional que puede transmitir señales de muchos insultos genotóxicos a genes y factores que controlan aspectos del ciclo celular y la muerte celular. Presenta 3 dominios funcionales. Dominio-N-terminal, que presenta la región responsable de la activación de la transcripción. Dominio central, que comprende la región que reconoce específicamente ciertas secuencias de ADN. Dominio-C-terminal, que posee la capacidad de regular la unión secuencia-especifica al ADN.
El p53 induce vías que conducen, o bien son parte de procesos de reparación del ADN. Posee una actividad de exonucleasa 3’ 5’. Ha sido implicada como una proteína importante en el desarrollo embrionario, y en la respuesta de células embrionarias a diferente estrés ambientales.

MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN

Las funciones de portación de información y auto duplicación son efectuadas por el ADN, quedando en función la catálisis reservada casi exclusivamente a las moléculas proteicas (enzimas) siendo el ARN un intermediario en el flujo de la información desde su almacenamiento (ADN) hasta el producto de su expresión.

Termodinámica de la replicación

La polimerización de nucleótidos de ADN es un proceso endergónico. La formación de cada enlace fosfodiéster del polímero a partir de la hidrólisis del grupo fosfato de un desoxirribonucleótido trifosfato (dNTP) es levemente desfavorable desde el punto de vista termodinámico. La principal responsable es la reacción de hidrólisis del pirofosfato (PPi) a dos moléculas de fosfato inorgánico por la pirofosfatasa. Además existe una importante contribución por parte de la energía liberada por las interacciones débiles (pte de H) generadas entre las bases del nucleótido entrante con la base complementaria (de la cadena molde) y con la base adyacente (de la misma cadena)

Coordinación del ciclo celular

Ciertos factores difusibles no identificados estarían mediando el inicio de la replicación y que otros factores no difusibles impiden el inicio prematuro de un nuevo ciclo de replicación. Por cada ciclo celular debe existir uno y solo un evento replicativo y, una vez ocurrido el mismo, el ciclo celular deberá inevitablemente continuar hasta la división de la célula.

Propiedades universales de la replicación

1* La replicación del ADN es semiconservativa

Se proponía 3 posibles mecanismos de replicación. Conservativo: En el cual la replicación producía una molécula hija de ADN completamente nueva y otra que conservaba las dos células originales. Semiconservativo. En el cual se producían dos moléculas hijas formadas por una cadena original y otra nueva. Disperso. Según el cual ambas cadenas de las dos moléculas producidas estaban compuestas por fragmentos nuevos y fragmentos originales.

2* La replicación tiene un sitio de origen y ocurre en forma bidireccional

Tanto en bacterias como en eucariontes se pudo determinarse que la replicación posee sitio específicos (cortas secuencias de nucleótidos) a partir de los cuales se generan, a ambos lados, las llamadas horquillas de replicación (por su forma de Y) determinando un proceso bidireccional. Estas horquillas se representas los sitios en donde la doble hélice parental rompe sus pts de H permitiendo la entrada del aparato enzimático que iniciara la polimerización de las cadenas hijas utilizando como molde las cadenas parentales.

3* La síntesis del ADN se produce siempre en sentido 5’ 3’ determinando que una de las cadenas se sintetice en forma discontinua

Las ADN pol son de sentido único, 5’ 3’, solo una de las hebras hijas será sintetizada en forma continua (cadena adelantada), utilizando como molde la hebra parental 3’ 5’. La otra hebra hija (cadena retrasada) debe necesariamente ser sintetizada en forma de pequeños trozos (Okazaki). La hebra adelantada que crece en el mismo sentido que la horquilla, y una hebra retrasada cuyos fragmentos crecen en sentido contrario al desplazamiento de dicha horquilla.

Etapas del proceso de duplicación del ADN y enzimas intervinientes

La replicación del ADN requiere de enzimas ADN pol. La ADN pol II cumple una función muy especializada en algunos de los mecanismos de reparación del ADN. La ADN pol III es la principal enzima de replicación del ADN en bacterias. Es estructuralmente mas compleja que la pol I, la cual cumple con varias funciones durante la replicación, la recombinación y la reparación del ADN (actividad exonucleasa 5’ 3’). El proceso de replicación del ADN en bacterias requiere, además numerosas enzimas, que reconozcan el sitio de origen y el comienzo de la apertura de la horquilla de replicación esta a cargo de la llamada proteína iniciadora, la apertura de las cadenas parentales, utilizando la energía de la ATP, esta a cargo de las Helicasas, el súper enrollamiento causado por la acción de la helicasa por delante de las dos horquillas de replicación es aliviado mediante la acción de la Girasa (ADN topoisomerasa II). Las hebras simples del ADN se mantienen en ese estado por acción de las llamadas SSBP o proteínas desestabilizadoras. Los fragmentos necesarios se llaman Primers, son sintetizados por la acción de la enzima primasa (ARN pol); la eliminación de los primers y su reemplazo por ADN es catalizado por la ADN pol I; la formación de los enlaces fosfodiéster que sellan estos fragmentos de ADN es catalizada por la ADN ligasa.

Similitudes y diferencias en la síntesis de ADN entre procariontes y eucariontes

La velocidad del moviendo de la horquilla de replicación en eucariontes es 10 veces mas lenta que en las bacterias. Esta, se ve compensada por la presencia de múltiples sitios de origen en cada cromosoma. Al igual que en bacterias existen 3 diferentes ADN polimerasas (y La replicación del ADN requiere de primers que, en eucariontes, no puede sintetizarse a partir del ultimo nucleótido. Esto conduciría a un acortamiento progresivo de los extremos cromosómicos (telómeros). El problema es solucionarlos mediante la enzima telomerasa, la cual incorpora secuencias teloméricas a los extremos cromosómicos. La telomerasa es una ribonúcleoproteína. En primer lugar prolonga la cadena de ADN parental 5’ 3’ utilizando como molde su propio ARN interno actuando, por lo tanto, como una transcriptasa inversa. La prolongación sintetizada tiene la propiedad de plegarse sobre si misma mediante la formación de dobles enlaces internos no convencionales, proveyendo así de un extremo 3’ a partir del cual se sintetizara una cadena de ADN usando como molde el telómero de la cadena parental. Los telómeros de las células somáticas son más cortos cuanto más viejo es el individuo. Una relación entre envejecimiento y acortamiento de los telómeros. Es interesante agregar que en las líneas de células tumorales se conserva la actividad telomerasa, lo cual podría explicar la ausencia de envejecimiento de las células tumorales.

Reparación del ADN

Una característica compartida por todas las ADN pol es su actividad exonucleasa 3’ 5’. Esta característica, permite a estas enzimas, de comprobar que el nucleótido recién adicionado es incorrecto y que existe un deficiente apareamiento de bases, eliminar el nucleótido incorrecto y reemplazarlo por el correcto antes de seguir la polimerización en sentido 5’ 3’. Existen muchos mecanismos diferentes con un mismo objetivo: mantener la integridad estructural del ADN. Cuando esta en juego la integridad del genoma, la célula no se fija en gastos y, algunos de sus procesos de reparación son enormemente costosos y cientos de nucleótidos pueden ser reemplazados con el fin de asegurar la reparación de un solo nucleótido alterado. La propia estructura del ADN es la que hace posible la eficiencia de algunos de los mecanismos de reparación: la existencia de dos cadenas complementarias hace posible la eliminación de un fragmento incorrecto y siguiendo las instrucciones de la hebra complementaria no dañada que actúa como molde.

Reparación de apareamientos incorrectos

Consiste en que el sistema sea capaz de distinguir cual es la cadena molde y cual la cadena recién sintetizada. Esta capacidad de distinguir se basa en la existencia de enzimas (Dam metilasa) que se agrega grupos metilos en todas las adeninas que formen parte de la secuencia 5’GATC. La cadena molde esta metilada. Algunos de los componentes de este sistema de reparación se encargan de diferenciar la cadena metilada detectando un apareamiento incorrecto se elimine la base de la cadena nueva. Si dentro de esta distancia es encontrada una base mal apareada sobre la cadena no metilada, un complejo proteico realiza un corte en esa cadena. Este corte requiere la acción combinada de ADN Helicasa, proteínas desestabilizadoras, una exonucleasa que degrada ADN monocatenario, ADN pol III y ADN ligasa.

Reparación por corte de base

Determinan cambios químicos en las bases del ADN. Estas bases incorrectas son reconocidas por un conjunto de enzimas que las eliminan por rotura de enlaces glucósido entre la base y la desoxirribosa generando un sitio apurínico o apirimidínico (sitio AP). Una vez formado este sitio por algunas glucosilasas especificas, debe intervenir una AP endonucleasa, la cual identifica el sitio AP y corta la cadena de ADN que lo contiene. El fragmento que porta el sitio AP es reemplazado por la ADN pol I y el corte remanente es eliminado por la ADN ligasa.

Reparación por corte de nucleótidos

Este proceso implica la acción de una enzima especializada (ABC excinucleasa) que reconoce la alteración, se une a la molécula de ADN en esa región y corta un fragmento completo de la cadena alterada, en cualquier sentido. El hueco es completado por la ADN pol I y sellado por la ADN ligasa.

Reparación directa

Las alteraciones mas frecuentes son los diméros de pirimidina. Cuando sobre la molécula de ADN incide radiación UV, suelen generarse enlaces covalentes entre las bases pirimidínicas adyacentes a la misma cadena. Estos diméros conducen a errores durante el proceso de replicación. El proceso fotorreactivación es el mecanismo de reparación directa que elimina estos diméros de pirimidina a través de la acción de enzimas especializadas que absorben la luz. Para poder utilizar la energía lumínica estas enzimas requieren de la asociación a cofactores FADH2.

Reparación con tendencia al error

Este sistema se denomina Sistema SOS. Requiere de la ADN pol III y de la ADN pol II dado que se induce como parte de la respuesta SOS. Enzimas como la ADN helicasa y ligasa son necesarias, como así también, muchas otras proteínas inducidas por la respuesta SOS.

División celular

En procariontes: se reproducen asexualmente por fisión binaria transversal. Al duplicarse el ADN, las dos copias del cromosoma se encuentran unidad a regiones especializadas de la membrana celular (mesosoma), las cuales se separan gradualmente por el crecimiento e invaginación de la membrana plasmática entre ellas. Si bien en las células procariontes, no ocurre la reproducción sexual, los individuos pueden intercambiar material genético por los mecanismos de transformación, traducción y conjugación.
En eucariontes: la división celular mitótica consta de dos subetapas: la cariocinesis y la citocinesis. La primera abarca la división del material nuclear para la formación de los núcleos hijos y la segunda es la separación del citoplasma para dar origen a las células hijas.
Etapas de la mitosis:
• Profase: comienza cuando culmina G2. la cromatina se condensa gradualmente hasta formar los cromosomas bien definidos. Los cromosomas están constituidos por dos cromátides, contiene centrómero. En los centrómeros se desarrollan la cinetocoro, uno por cada cromátide. Estas son complejas asociaciones proteicas trilaminares en forma de plato. Durante la interfase el centrosoma es el centro de crecimiento de los microtubulos del citoesqueleto. Durante la profase el centrosoma se divide y cada centrosoma hijo comienza a migrar hacia uno de los polos de la célula; a medida que se apartan se organizan entre ellos los microtubulos que formaran el huso acromático cuando se desorganice la membrana nuclear. El nucleolo desaparece debido a la condensación de su cromatina constituyente. Los microtubulos citoplasmáticos se despolimerizan. Esto produce que la célula se torne más esférica y empiece a formar el huso mitótico.
• Prometafase: se inicia con la desorganización de la membrana nuclear en fragmentos. En primer lugar, la fosforilación de cada una de las cadenas polipeptídicas de la lámina nuclear provoca su desensamble y ruptura. Los dos centrómeros hijos constituyen los dos polos del huso. Cada cromosoma posee dos cromátides hermanas, posee dos centrómeros y dos cinetocoros. Estas estructuras atraen y se unen a algunos microtubulos del huso; los denominados microtubulos cinetocoricos. Son fundamentales para la posterior segregación correcta de una cromátide de cada cromosoma a cada núcleo hijo.
• Metafase: los cromosomas alcanzaron su máximo estado de condensación. Los microtubulos cinetocoricos traccionan a los cromosomas hasta alinearlos en el plano ecuatorial. Los cromosomas se encuentran en tensión debido a los cinetocoros apareados y a los microtubulos asociados.
• Anafase: los cinetocoros apareados de cada cromosoma se aparean, las dos cromátidas de cada cromosoma duplicado también se aparean. Cada cromátide que migra constituye ahora un cromosoma. Durante la fase los microtubulos cinetocoricos se acortan a medida que las cromátides se acercan a los polos (anafase A) y los microtubulos polares aumentan su longitud alejando los polos del huso
• Telofase: ocurren los procesos inversos a la profase. Se reorganiza la membrana nuclear en torno a cada grupo de cromosomas hijos. La vesícula de la membrana nuclear se asocian con la superficie de los cromosomas individuales y luego se fusionan entre si, constituyendo de esta forma las nuevas membranas nucleares. Las laminas desfosforiladas se reasocian formando de nuevo la lámina nuclear. Los cromosomas se comienzan a descondensar hasta adoptar el estado laxo propio de la interfase y reaparece el nucleolo al recomenzar la síntesis de ARN. Obteniéndose una célula con dos núcleos con idéntica información genética. El material nuclear ya se ha dividido, ahora debe dividirse el citoplasma para formar las células hijas.

Citocinesis

Es la partición y separación del citoplasma entre las dos células hijas para completar la mitosis. Ocurre el estrangulamiento del citoplasma, debido a la acción de un anillo contráctil en el plano medio de la célula que se va a dividir. Este anillo esta formado por filamentos de actina y miosina. El mecanismo de constricción aparentemente estaría mediado por le deslizamiento de filamentos de actina y miosina. El anillo se ensambla en la anafase temprana y se elimina por completo al culminar la segmentación.

Funciones de la mitosis

En eucariontes unicelulares, constituye un mecanismo de reproducción asexual. Por mitosis las plantas pueden producir rizomas o estolones. Los organismos pluricelulares crecen al dividirse sus células. Este mecanismo de división celular también es indispensable para la cicatrización de los tejidos dañados.

Meiosis y reproducción sexual

La meiosis contrarresta los efectos aditivos de la fecundación

La reproducción sexual es la unión de dos células sexuales o gametas. Cada gameta aporta 23 cromosomas, un complemento llamado haploide o n. Dos juegos son diploide o 2n, donde los cromosomas concurren de a pares denominados pares de homólogos. Cada par son idénticos en forma y tamaño, y llevan los mismos genes, aunque no necesariamente las mismas alternativas (alelos) para cada uno de ellos. Ocurre por única vez en células especializadas o germinales (2n) para dar cuatro células hijas haploides con nuevas combinaciones genéticas. Consiste en dos divisiones nucleares sucesivas, conocidas como Meiosis I y Meiosis II. La I es reduccional ya que separa los miembros de cada par de homólogos entre si, la II es ecuacional ya que separa las cromátides hermanas de cada cromosoma.

Hay diferencias respecto de la etapa del ciclo de vida durante la cual ocurre la meiosis

• Meiosis gamética o terminal: esta relacionada con la formación de gametas (n) dando como resultado una cigota 2n que se desarrolla en un adulto 2n. lo llevan los animales multicelulares.
• Meiosis cigótica o inicial: ocurre después de la fecundación, el individuo es haploide, se da en algas y hongos.
• Meiosis espórica o intermedia: con la unión de gametas (n) genera una cigota 2n que por mitosis desarrolla al esporofito 2n. este sufre meiosis y da esporas (n). se da en plantas superiores.

Etapa de la meiosis

Durante la interfase previa a la división, el ADN se duplica en la etapa S, de modo que al comienzo de la meiosis I cada cromosoma consiste en dos cromátidas idénticas unidad entre si a nivel del centrómero.
• Profase I: consta de 5 etapas en si. Comienza a hacer visibles gradualmente los cromosomas y la envoltura nuclear comienza a disgregarse. Los cromosomas homólogos se aparean específicamente por un proceso llamado sinapsis originando bivalentes o tétradas. Es la que estabiliza el apareamiento para facilitar la recombinación génica. Este complejo es una estructura compuesta por 3 barras paralelas y muchas fibras transversales. En este momento tiene lugar el entrecruzamiento o crossing-over, un mecanismo de recombinación homologa entre ambos cromosomas. Cada fenómeno de entrecruzamiento esta mediado por un gran nódulo de recombinación que incluye proteínas. Estos nódulos marcarían la localización de una maquinaria multienzimatica de recombinación, que permite el cambio de regiones del ADN de las cromátides materna y paterna. Los cromosomas apareados y recombinados empiezan a separarse, pero se mantienen unidos por pts específicos llamadas quiasmas. Los bivalentes se unen a la fibra del huso y comienzan a desplazarse hacia la plaza ecuatorial, desaparecen los nucleolos y se produce la ruptura de la membrana nuclear.
• Metafase I: los pares homólogos se alinean sobre el plano ecuatorial de la célula
• Anafase I: comprende la separación de los cromosomas homólogos y su migración hacia los polos de la célula
• Telofase I: es la etapa de reconstrucción nuclear que se inicia una vez que los cromosomas llegan a los polos. Cada núcleo hijo contiene la mitad de la cantidad de cromosomas del núcleo original. Además pueden contener distinta información genética debido al crossing-over. Luego existe un corto periodo de interfase llamado intercinesis en la cual no hay duplicación del ADN.

• Profase II: los cromosomas vuelven a condensarse, se disgrega la membrana nuclear, desaparece el nucleótido y empiezan a aparecer nuevas fibras del huso
• Metafase II: los cromosomas se ubican en el plano ecuatorial.
• Anafase II: las cromátides hermanas se separan y migran hacia los polos.
• Telofase II: se forma la envoltura nuclear en torno a cada juego de cromosomas, simultáneamente ocurre la citocinesis, dando como resultado 4 células haploides.

Gametogénesis

En la meiosis terminal el proceso de formación de las gametas recibe este nombre.
• Ovogénesis: ocurre en los ovarios. Las células primordiales son las ovogonias (2n), que duplican su ADN y se diferencian originando ovocitos primarios (2n). Este comienza la meiosis I quedando detenida en la profase I en el octavo mes. Los ovocitos sintetizan la cubierta y gránulos corticales, acumulan ribosomas, vitelo, glucógeno, lípidos y el ARNm. Recién se completara la meiosis I a partir de la pubertad bajo la influencia hormonal. En forma cíclica algunos ovocitos I se van a transformar en ovocitos II y los primero corpúsculos polares. El ovocito II se lleva prácticamente todo el citoplasma y el potencial de desarrollo. En la ovulación, el ovocito II es liberado del ovario, y si es fecundado lo estimula para concluir la meiosis.
• Espermatogénesis: ocurre en los testículos. Las células primordiales son los espermatogonias (2n). Durante la pubertad y bajo la influencia hormonal, estas duplican su ADN y se diferencias en espermatocitos I. estos por meiosis I dan células haploides o espermatocitos II, las que producen a su vez, como resultado de la meiosis II, las espermátidas (n), que se transforman en espermatozoides.

Consecuencias de la reproducción sexual: Variabilidad génica

Consecuencia de la distribución al azar entre las células hijas de los distintos cromosomas homólogos de los padres durante la Anafase I.
La otra consecuencia se debe al crossing-over, que ocurre durante la profase I. la recombinación permite entremezclar los alelos maternos y paternos.

La meiosis y las alteraciones cromosómicas estructurales

Inversiones: el cromosoma se rompe en dos sitios y el segmento situado entre los puntos de ruptura se vuelve a fijar dentro del cromosoma en orden inverso.
Traslocaciones: un fragmento de un cromosoma se fija a otro cromosoma.
Supresiones: es la perdida de una región del cromosoma. Provoca grandes consecuencias
Duplicaciones: se repite un fragmento del cromosoma. Provoca graves efectos.