Resumen para el Segundo Parcial - UBA - UBA XXI - Biología

El núcleo es la estructura más destacada de la célula eucarionte, tanto por su morfología como por sus funciones. Su tamaño es variable al igual que su ubicación siendo en la mayoría de los tipos celulares central. El núcleo tiene tres funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN. Ellas son:

3- Ejecutar, dirigir y regular 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 procesos 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 éstos a sus formas maduras, muchas de las cuales son transportadas al citoplasma para su traducción

El núcleo esta rodeado por la envoltura nuclear, una doble membrana interrumpida por numerosos poros nucleares. Los poros actúan como una compuerta selectiva a través de la cual ciertas proteínas ingresan desde el citoplasma, como también permiten 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, la cual se localiza adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear, provee soporte interno.

El núcleo tiene también un nucleoplasma, en el cual están disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cual provee soporte a los cromosomas y a los grandes complejos proteicos que intervienen en la replicación y transcripción del ADN. Los cromosomas aparecen ocupando lugares específicos. Los genes que codifican productos relacionados, aunque estén localizados en diferentes cromosomas pueden estar ubicados próximos en el núcleo interfásico. Dichos 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. Esta separación física asegura que los ARNr puedan ser eficientemente ensamblados dentro de las subunidades ribosomales. En el núcleo, los genes transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los inactivos. Los activos se encuentran ubicados centralmente, mientras que los inactivos están confinados próximos a la envoltura nuclear.

La envoltura está formada por dos membranas concéntricas interrumpidas por poros nucleares y por la lámina nuclear. Las membranas delimitan un espacio de 10 a 50 nm, el 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. El espacio perinuclear 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, capa fibrosa de 10 a 15 nm en la que apoya la membrana interna, está formada por proteínas del tipo de los filamentos intermedios, polímeros de laminina nuclear. Ellas se unen a las proteínas integrales de membrana. La fosforilación de las laminas provoca el desensamble de la lámina nuclear causando la ruptura de la envoltura al inicio de la división celular.

La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. Esta envoltura es un derivado del sistema de endomembranas. La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos principales, como la autoduplicación del ADN o la síntesis de ARN. Además esto posibilitó 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 el ARN, simultáneamente el extremo 5´ se une al ribosoma y comienza la traducción.

La envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas complejos de poro nuclear. El número de CPN 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 octomérica. Está formado por:

- Proteínas radiales que se proyectan desde las columnas hacia la luz del poro, a manera de diafragma

- Proteínas fibrilares fijas al anillo interno y externo. En la cara nuclear convergen para formar una canastilla o cesta. A lo largo de estas fibrillas se ubican nucleoporinas que intervienen en el transporte de sustancias a través del poro

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.

- 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 macromoléculas ensambladas y exportadas desde el núcleo al citoplasma incluyen:

- Factores de transcripción que son devueltos al citoplasma para ser reutilizados

Los CPN hacen de la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el núcleo y el citoplasma. Aun cuando las proteínas pequeñas y otras moléculas viajan a través de los canales periféricos, 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). Tampoco los ARN pueden salir del núcleo por sí mismos. Ellos salen a través del CPN con una proteína especial que posee una señal nuclear de exportación (NES). Ambas NSL y NES consisten en una secuencia corta de aminoácidos, muchos de los cuales tienden a estar ubicados centralmente dentro de la proteína. Las moléculas de mayor tamaño requieren de una proteína “transbordadora” o carioportina. La súper familia de carioportinas esta integrada por: importinas, exportinas y transportinas.

Las importunas son heterodímeros, formados por 2 subunidades, la subunidad - < se une a la NSL de la proteína nuclear permitiendo la unión con la subunidad -®. Esta unión origina una importina funcional que lleva unida a la proteína nuclear a ser transportada. El complejo importina funcional se pone en contacto con los filamentos citosólicos, donde guiado por las nucleoporinas (Nup), llega al poro central. La translocación del complejo importina/carga es regulado por la pequeña RanGTPasa, que se une a la subunidad ® de la importina. Esta ® 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 entonces un nuevo cambio 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 ARN maduros se asocian a proteínas llamadas transportinas, las cuales actúan como transbordadores permitiendo el pasaje de ARN al citoplasma. Los ARNm maduros que presentan la poli A se asocian con varias proteínas, formando una partícula de ribonucleoproteína (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 ARNs a sus destinos citosólicos correctos.

El núcleo contiene los cromosomas de la célula. Cada cromosoma consiste en una molécula única de ADN con una cantidad equivalente de proteínas. Colectivamente, el ADN con sus proteínas asociadas se denomina cromatina. La mayor parte de las proteínas de la cromatina consisten en copias múltiples de 5 clases de histonas. Estas proteínas básicas son ricas en residuos de arginina y lisina cargados positivamente. Por esta razón se unen estrechamente con los grupos fosfatos (cargados negativamente) del ADN. La cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de proteínas no histónicas y RNP. La mayoría de ellas son factores de transcripción (ej.: receptor esteroide), siendo su asociación con el ADN pasajera. Estos factores regulan que parte del ADN será transcripta en ARN.

Hay 2 tipos de cromatina: la eucromatina o cromatina laxa, de localización central, y la heterocromatina o cromatina densa, en la periferia del núcleo. La heterocromatina representa aproximadamente el 10% del total de cromatina y es considerada transcripcionalmente inactiva. La eucromatina se encontraría al menos en 2 estados, la eucromatina accesible, que representa alrededor del 10%, donde se encuentran los genes que se están transcribiendo y la eucromatina poco accesible, más condensada (pero menos que la heterocromatina), donde están los genes que la célula no está transcribiendo. Las nucleadas son las enzimas que digieren el ADN.

Los nucleosomas son las unidades de enrollamiento de la cromatina. Están formados por un centro de histonas. Dicho centro posee 2 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 2 vueltas. La unión de las histonas al ADN no depende de una secuencia particular de nucleótidos, sino de la secuencia de aminoácidos de la histona. Alrededor de 60 pares de bases de ADN unen un nucleosoma con el próximo. Cada región de unión es el ADN espaciador. La quinta 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 de 10 nm siendo el primer grado del empaquetamiento de la cromatina. Los nucleosomas se organizan, a su vez, en fibras de 30 nm (solenoide), girando a manera de resorte alrededor de un eje virtual. Esta estructura es mantenida por la interacción de las H1 de nucleosomas cercanos. En el siguiente nivel de empaquetamiento, las fibras 30 nm 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. Cada bucle de cromatina representa un dominio funcional o unidad de replicación. Estos dominios contienen alrededor de 100.000 pares de bases, extensión de ADN suficiente para acomodar varios genes de tamaño promedio. Cada cromosoma puede tener cien o más dominios.

Durante la profase, los cromosomas aparecen en forma más condensada, alcanzando la cromatina su mayor nivel de condensación en metafase. La organización de los cromosomas envuelve la fosforilación de la H1 y otras proteínas, lo cual causa el plegamiento y empaquetamiento aún más compacto de la cromatina. El grado de condensación de los dominios de cromatina se mantiene principalmente debido a la asociación con la matriz nuclear y a proteínas asociadas como la topoisomerasa 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. Las SAR son regiones de varios cientos de pares de bases ricas en residuos de adenina y timina, abundantes en la heterocromatina. Con coloraciones especiales los cromosomas, revelan diferencias estructurales de importancia funcional. Las bandas oscuras consisten en cromatina altamente condensada, mientras que las bandas claras se corresponden con cromatina más laxa. El examen de la cromatina en bandas claras y oscuras revela que ambos tipos de cromatina están acomodados en bucles de distintos tamaños y que a su vez se proyectan desde el andamiaje plegado. El andamiaje está muy plegado en la heterocromatina, y es más lineal en las bandas de eucromatina, formando bucles más amplios. Las histonas de la eucromatina están fuertemente acetiladas. Estos cambios afectarían el grado de empaquetamiento de la eucromatina, haciéndola más accesible para la transcripción de sus genes.

TIPO DE CROMATINA	ESTADO FISICO	CAMBIO QUIMICO	TIPO DE GENES	REPLICACION
EUCROMATINA	LAXA	ACETILADA	ACTIVOS	FASE S TEMPRANA
HETEROCROMATINA	CONDENSADA	METILADA	SILENTES	FASE S TARDIA

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

Cada cromosoma eucariota consiste en una molécula simple de ADN de alrededor de 150 millones de pares de nucleótidos. La molécula de ADN es lineal, por lo tanto posee 2 extremos (en contraste con el cromosoma bacteriano que es circular). La molécula de ADN de un cromosoma típico eucariota contiene un conjunto lineal de genes que codifican para ARN y proteínas, interrumpido por muchas secuencias de ADN no codificante. El ADN no codificante incluye:

- secuencias de aproximadamente 170 nucleótidos de ADN satélite, repetidas miles de veces que corresponden al centrómero

- múltiples secuencias señalizadoras altamente conservadas, denominadas origen de replicación (OR)

El centrómero es una constricción primaria localizada centralmente o hacia los extremos de cada cromosoma. El ADN centromérico como ya mencionamos es altamente repetitivo y se encuentra siempre condensado siendo parte de la heterocromatina. Los telómeros son cruciales en la vida de la célula. Ellos son necesarios para la duplicación completa del cromosoma, los protegen de las nucleasas, evitan que los extremos del cromosoma se fusionen entre sí y facilitan la interacción del cromosoma con la envoltura nuclear. La telomerasa es una ribonucleoproteína, es una retrotranscriptasa, sintetiza ADN a partir de un molde de ARN. Las células con telomerasa activa pueden compensar el acortamiento de los telómeros durante la duplicación del ADN. La telomerasa activa se encuentra solamente en las células de la línea germinal, eucariotas unicelulares y células cancerosas.

Los cromosomas se diferencian por la ubicación del centrómero. Antes de que una célula se divida, cada cromosoma se duplica (durante la fase S del ciclo celular). Los cromosomas duplicados se mantienen juntos por el centrómero. Mientras están juntos es común llamar a cada parte del cromosoma duplicado, cromátida hermana. Cada una de estas es un cromosoma completo. El cinetocoro es una estructura proteica discoidal que forma parte del centrómero y ayuda a separar las cromátidas hermanas. Es el sitio de unión con los microtúbulos del huso, que contienen los motores de dineína que tiran a los cromosomas en la anafase. La posición del centrómero, determina el largo de los brazos del cromosoma, en base a esto se puede clasificar a los cromosomas en:

- metacéntricos: el centrómero en posición central determina brazos de igual longitud

- submetacéntricos: un par de brazos es más corto que el otro, pues el centrómero se encuentra alejado del centro

- acrocéntricos: el centrómero se halla próximo a uno de los extremos, por lo tanto uno de los brazos es casi inexistente

Todas las especies tienen un número característico de pares de cromosomas homólogos llamado número diploide (2n). El número diploide del hombre es 46. El cariotipo es una representación gráfica 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 homólogos, 22 pares son autosomas y el par restante, cromosomas sexuales, ambos X. El cariotipo del hombre contiene los mismos 22 pares de autosomas y 1 par de cromosomas sexuales, un cromosoma X y uno Y. Durante la mitosis, los 23 pares de cromosomas humanos se condensan.

En el nucleolo tiene lugar la formación de subunidades ribosómicas, la síntesis y procesamiento de ARNr. El nucleolo es un aglomerado de fibras de cromatina de distintos cromosomas. En el hombre, los pares 13, 14, 15, 21 y 22 aportan sectores de cromatina que forman el nucleolo. Todos estos cromosomas son acrocéntricos y presentan constricciones secundarias denominadas organizadores nucleares (NOR), donde están los genes que codifican ARNr. El nucleolo aparece como una estructura simple carente de componente membranoso, en la que diferenciamos 2 regiones:

- una zona granular periférica donde los gránulos están formados por las subunidades ribosómicas en proceso de ensamblado

Los nucleolos, al igual que la envoltura nuclear desaparecen en la mitosis y se reorganizan alrededor de los segmentos de ADNr, que como su nombre lo indica, codifica ARNr (el más abundante). El tamaño del nucleolo varía entre células y en la misma célula según su actividad, pues si bien la velocidad de transcripción puede acelerarse, el ensamblado de las subunidades ribosomales requiere de un tiempo más o menos constante.

El genoma es el conjunto de genes de una especie. Un gen es una secuencia de ADN con la información necesaria para la síntesis de una proteína particular. Dado que el ADN es una molécula relativamente inerte, su información se expresa indirectamente, a través de otras moléculas. El ADN dirige la síntesis de proteínas y estas determinan las características físicas y químicas de la célula. Las instrucciones genéticas contenidas en el ADN se expresan en 2 pasos. El primero de ellos, la transcripción, consiste en la síntesis de ARN a partir del ADN. El ARN contiene toda la información de la secuencia de bases del ADN de la que ha sido copiado. El segundo paso de la expresión genética es la traducción, momento en el cual el ARN ejecuta las instrucciones recibidas cristalizándolas en la síntesis de una proteína específica. Existen diversos tipos de ARN: ARNm (mensajero), ARNr (ribosómico), el ARNt (de transferencia) y los ARN pequeños. De todos ellos, tan sólo el ARNm es portador de información acerca de la secuencia aminoacídica de una proteína; sin embargo todos ellos son transcriptos de ADN. Entonces, un gen es una secuencia de ADN transcripta que genera un producto con función celular específica.

1- el ADN procarionte se presenta como una única molécula circular, en tanto el ADN eucarionte es de estructura lineal. Además las células eucariotas poseen usualmente más de una molécula de ADN en sus núcleos. Cada molécula corresponde a un cromosoma, cuyo número es constante para todas las células de una misma especie (con excepción de las gametas).

2- El ADN eucarionte se halla asociado íntimamente a diferentes proteínas entre las cuales las histonas juegan el papel más importante en lo que respecta al empaquetamiento del ADN. Esta asociación a histonas no se verifica en el ADN procarionte, por lo cual se lo ha denominado “ADN desnudo”.

3- En las células eucariotas los cromosomas están confinados en el compartimiento nuclear, donde tiene lugar la transcripción, mientras que la traducción se localiza en el citoplasma; por otro lado, ambos procesos se encuentran separados espacial y temporalmente. Esto permite que los transcriptos de ARN experimenten en el núcleo un proceso de maduración previo a la traducción. En las células procariotas, donde no existe la envoltura nuclear, el ADN está en contacto directo con el citosol, y los procesos de transcripción y traducción no se hallan separados en espacio ni en tiempo.

5- En los procariontes se da una máxima economía de información: en casi todos los casos cada cromosoma contiene una sola copia de cualquier gen particular, prácticamente de expresa todo el ADN. En cambio, en toda célula eucariota parecería haber un gran exceso de ADN o por lo menos de ADN cuyas funciones se desconocen por completo.

La transcripción es tan solo el primer paso de la expresión genética. Los ARN obtenidos, ARNm son meros transportadores de información que aún debe ser decodificada, información que debe traducirse en la síntesis de una proteína. La traducción es el segundo paso de la expresión genética. La información reside en la secuencia de bases y está escrita en un código propio al que llamamos código genético. Está compuesto por las 4 bases que forman las cadenas de ARN (A, U, C, G), agrupadas de a 3 tripletes de bases, llamadas codones y los resultados son cada uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas. Se pueden obtener 64 combinaciones diferentes si las bases se combinan de a 3; 64 codones son más que suficientes para nombrar a los 20 aminoácidos. El código emplea codones diferentes para nombrar a un mismo aminoácido. La mayoría de los aminoácidos están codificados por más de 1 codón; existen codones sinónimos. Aminoácidos de propiedades semejantes son codificados por codones semejantes. El código no es ambiguo, cada codón especifica a uno y solo a 1 aminoácido. Los codones que codifican aminoácidos suman en total 61. Los 3 codones que no especifican ningún aminoácido (UGA, UAG y UAA) actúan como señales de terminación en la traducción o síntesis de proteínas. Son llamados codones de terminación o stop. El código genético es universal, lo cual da prueba de que todos los organismos comparten un mismo origen. Los ARNm portan un codón (AUG) que es interpretado por los ribosomas como codón de iniciación. Este codón da el marco o cuadro de lectura que será empleado de allí en más. En adelante, el ribosoma se desplazará a lo largo del ARNm en bloques consecutivos de tres bases, garantizando la lectura de los codones apropiados. Al modificar el marco de lectura, se altera por completo el mensaje. El código es leído sin solapamiento. Esto significa que cada nucleótido del mensaje es utilizado como componente de un solo codón.

La transcripción consiste en la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. Tanto en células procariotas como eucariotas, involucra la participación de una enzima ARN polimerasa ADN dependiente. Esta sintetiza una cadena de ARN cuyo inicio, terminación y secuencia de bases vienen determinados por el propio gen. El 1º paso de la transcripción es la unión de la enzima ARN polimerasa a una región del gen llamada 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 cuál cadena se ha de transcribir. La transcripción es asimétrica, pues usualmente sólo se transcribe una de las 2 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 río abajo y transcribiéndola a partir del nucleótido que el promotor señala como punto de inicio de la transcripción. Este nucleótido se nombra +1 y los siguientes, río abajo, siguen la numeración correlativa (+2, +3). Partiendo desde el punto de inicio en la dirección contraria, es decir río arriba, los nucleótidos se numeran -1, -2, etc.

La ARN polimerasa sólo puede desplazarse y transcribir si previamente la doble hélice sufre un desenrollamiento y fusión (separación de las cadenas complementarias por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases). La misma enzima cataliza ambos procesos, generando hacia el extremo 3´ una burbuja de transcripción, un tramo de aproximadamente 12 nucleótidos de longitud, en el cual las cadenas permanecen desapareadas. La burbuja de transcripción aparenta avanzar río abajo junto con la enzima, pues a medida que progresa la fusión por delante de ella, la doble hélice se recompone por detrás. La formación de la burbuja causa una supertorsión o súper enrollamiento de la doble hélice en los sectores ubicados hacia el extremo 5´ del molde. Este fenómeno es corregido por la acción de una enzima topoisomerasa I.

Cuando el molde ya ha sido desapareado en la burbuja de transcripción y expone sus bases, estas son reconocidas por la ARN polimerasa. A medida que la enzima lee la plantilla, coloca junto a cada base de la misma del nucleótido trifosfato portador de la base complementaria. A los desoxirribonucleótidos de A, T, C y G se le aparean respectivamente, los ribonucleótidos de U, A, G y C mediante puentes de hidrógeno. Una vez ubicados los 2 primeros ribonucleótidos, la enzima cataliza la formación del puente fosfodiéster entre ambos, iniciándose la cadena de ARN. El enlace fosfodiéster se produce entre el hidroxilo en posición 3´ del primer nucleótido y el grupo fosfato interno, en posición 5´ del segundo. Un grupo pirofosfato de este último es liberado como producto y escindido rápidamente en 2 fosfatos por la acción de una pirofosfatasa. Son los mismos sustratos los que, por estar trifosfatados, aportan la energía necesaria para su polimerización. La dirección de la síntesis del ARN es 5´ - 3´

Siempre los nucleótidos recién incorporados al ARN forman una hélice corta ARN-ADN con su plantilla. Esta hélice híbrida es transitoria, pues conforme el polímero se alarga por su extremo 3´, el extremo 5´ se separa del molde, el cual vuelve a emparejarse con su hebra de ADN complementaria. La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza una señal (una secuencia específica de bases de ADN) que actúa como señal de terminación. El transcripto primario repite la dirección y la secuencia de la hebra no copiada o antimolde. Es la cadena convencionalmente elegida para representar un gen. Requisitos de la transcripción:

- una molécula de ADN molde, con región promotora, que indica el inicio de la transcripción, con secuencia de terminación, que marca el fin del proceso y un segmento que será expresado.

- Una enzima ARN polimerasa que reconoce las secuencias señalizadoras, abre la hélice, lee el molde (de 3´ a 5´), reconoce y ubica los sustratos complementarios y polimeriza los sustratos (de 5´ a 3´)

Las principales diferencias en la transcripción en células procariotas y eucariotas son:

2- la ARN polimerasa procariota no requiere factores de transcripción. Las eucariotas requieren la presencia de factores de transcripción basales y su actividad es regulada por factores de transcripción específicos.

La traducción implica el funcionamiento coordinado de un gran número de moléculas entre las que se encuentran los distintos tipos de ARN.

Los ARNm son moléculas lineales de cadena simple en donde residen las instrucciones para la elaboración de un producto proteico. Los ARNm eucariotas y procariotas son esencialmente iguales en el sentido que presentan, una vez listos para la traducción, una secuencia continua de codones que se extienden desde el principio al fin del mensaje genético dictando con exactitud la secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica en particular. Esta secuencia se lee en dirección 5´ - 3´. El principio de la secuencia presenta un codón iniciador (AUG) y el final de la secuencia o región codificadora es un codón de terminación o stop (UGA, UAA, UAG). Además de la región codificadora presenta sectores extra en los extremos 5´ y 3´ del mensajero denominados secuencias directora y seguidora respectivamente. Estas regiones no se traducen en proteína aun cuando forman parte del ARNm transcripto del gen.

La mayoría de los ARNm eucariotas presentan la secuencia del mensaje interrumpida, es decir, coexisten 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 ARN maduro. Algunos cambios consisten en el agregado de moléculas en los extremos 5´ y 3´ llamados capping y poliadenilación. Capping es la denominación del proceso por el cual se adiciona en el extremo 5´ del ARNm una molécula de 7 metil-guanosina (un nucleótido metilado) a la que se conoce como cap. La cap 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 es el proceso que consiste en el agregado de alrededor de unas 250 adenosinas o cola poli A en el extremo 3´ del ARNm. El ARNm presenta una secuencia de nucleótidos específica AAUAAA conocida como señal de poliadenilación. Las funciones de la cola poli A son: proteger el extremo 3´ de la degradación y ayudar a los ARNm a salir del núcleo. Carecen de cola poli A los ARNm de histonas.

Otra modificación significativa afecta a la secuencia codificadora, que sufre un 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 se lleve a cabo este tipo de maduración del pre ARNm se necesita una batería de ribonucleoproteínas nucleares: las RNPpn. Estas partículas ricas en uridinas y diversas proteínas se denominan U1, U2, U4, U5, U6 y se combinan de a una por vez en los extremos de cada intrón (lindantes a sendos exones). El complejo resultante del ensamblado de las distintas RNPpn se denomina espliceosoma. La actividad enzimática residiría en los ARNpn del espliceosoma. Estos serían los responsables de reconocer las secuencias señalizadoras de corte, escindir a los intrones y empalmar a los exones entre ellos, produciendo una molécula de ARNm maduro. El corte de intrones y el empalme de exones deben ser muy exactos, pues de lo contrario un error pequeño, causaría un corrimiento del marco de lectura del ARNm. Los ARNm maduros son monocistrónicos, es decir el sector codificador dicta la secuencia para una sola cadena polipeptídica.

Los ARNm procariotas presentan las secuencias codificadoras continuas, pues 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.

Los ARNt son moléculas adaptadoras ya que interactúan por un lado con la cadena polinucleotídica (ARNm) y por el otro con los aminoácidos que formarán parte de la cadena polipeptídica, así alinean a los aminoácidos siguiendo el orden de los codones del ARNm. Cada ARNt es una molécula de 70 a 93 ribonucleótidos. Enlaces puente de hidrógeno entre sus bases repliegan la molécula dando origen a una disposición espacial en forma de trébol. Cada brazo presenta una zona de doble cadena y un asa o bucle de cadena simple sin apareamiento de bases. Interacciones posteriores doblan la estructura de trébol formando una L. Todos los ARNt presentan un porcentaje significativo de bases poco frecuentes que surgen por modificación post-transcripcional de los 4 ribonucleótidos estándar A, G, C y U. En el extremo 3´ o 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 otro extremo de la L se localiza un triplete de nucleótidos conocido como anticodón, cuya secuencia varía en cada tipo de ARNt. Cada anticodón es complementario de un codón del ARNm, aunque podría acoplarse a más de un codón (sinónimo). Las modificaciones que sufren los pre ARNt son semejantes en procariotas y en eucariotas en cuanto en ambos se producen escisiones y modificaciones químicas, por ejemplo, se elimina un dinucleótido 3´ del precursor y se agrega el tripleta CCA a los ARNt que no poseen todavía esta secuencia terminal. Algunos genes para ARNt presentan un intrón que interrumpe la secuencia codificadora, él cual es removido post-transcripción.

Los ARNr junto a proteínas, son los componentes de los ribosomas. Estos y los ARNt intervienen en la traducción de la información codificada en el ARNm por lo cual los primero son considerados fábricas de proteínas. Cada ribosoma consta de 2 subunidades: mayor y menor. La subunidad mayor contiene una depresión en una de sus superficies, en la cual se ajusta la subunidad menor. El ARNm se inserta en el surco formado entre las superficies de contacto de las subunidades. Dentro de cada ribosoma hay 2 huecos llamados sitios A (aminoacídico) y P (peptidílico) para el ingreso de los ARNt unidos a sus correspondientes aminoácidos. Las subunidades ribosómicas trabajan conjuntamente para la síntesis proteica. La subunidad menor aloja al ARNm sobre el cual se acomodan los ARNt para que puedan unirse los aminoácidos que transportan. La subunidad 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). Los ribosomas procariontes y eucariontes se diferencian en su tamaño, coeficiente de sedimentación y en el tipo y número de moléculas de ARNr y proteínas que los forman. Todos los ARNr procariotas y eucariotas sufren modificaciones post-transcripción. Las subunidades ribosómicas por separado y antes de completar sus respectivos ensambles, son exportadas al citoplasma a través del CPN, concluyendo el procesamiento de cada subunidad en el citosol.

Los ARN pequeños forman complejos con proteínas específicas dando lugar a la formación de partículas ribonucleoproteicas (RNP). Las RNP localizadas en el núcleo se denominan RNPpn (partícula ribonucleoproteica pequeña). Varios RNPpn conocidos como U1 a U6 participan en el procesamiento de los ARNm. Estas partículas forman un complejo multienzimático denominado espliceosoma, encargado de realizar cortes y empalmes en los ARNm transcriptos primarios (splicing). Los RNP localizados en citoplasma se denominan RNPpc. La función más conocida de cualquier RNPpc es la que desempeña el complejo ARN / proteínas que componen la partícula de reconocimiento de la señal o SRP. Estas partículas participan en el reconocimiento de secuencias específicas de las proteínas de secreción, membranares y lisosomales, deteniendo su traducción hasta que el ribosoma en donde se están sintetizando se contacte con la membrana del REG, en donde finalizan su traducción.

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 proteica se lleva a cabo en los ribosomas. Incluye las siguientes etapas:

Antes de la traducción cada ARNt se engancha a su aminoácido específico. Esta reacción de aminoacilación es catalizada por las enzimas aminoacil ARNt sintetasa. Existen 20 tipos distintos de enzimas, una para cada aminoácido. El proceso de aminoacilación ocurre en dos etapas:

- en la primera fase se utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para unir cada aminoácido a un AMP, con un enlace de alta energía. Esta reacción da origen a un complejo intermediario denominado aminoacil-AMP.

- Sin abandonar la enzima, se transfiere el aminoácido del complejo aminoacil-AMP al ARNt específico, con lo cual se origina la molécula final: Aminoacil-ARNt

Tiene 2 funciones: proporcionar el primer paso en la traducción del mensaje genético a una secuencia de aminoácidos; y activar el aminoácido antes de incorporarlo a la proteína. El enlace entre el ARNt y el aminoácido libera al hidrolizarse la energía necesaria para propulsar la formación del enlace peptídico durante la traducción.

El mecanismo por el cual se traduce el mensaje del ARNm puede describirse en 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. En todas las fases se requiere la presencia de un complejo sistema de proteínas citoplasmáticas conocidas como factores de iniciación, factores de elongación y factores de terminación respectivamente. Dichos factores son diferentes en procariotas y eucariotas aunque sus funciones son semejantes.

En esta etapa se reúnen los componentes que constituyen el complejo de iniciación, disparador de la síntesis proteica. El complejo será compuesto por una molécula de ARNm, una subunidad mayor, una subunidad menor, el ARNt iniciador (cargado con metionina en eucariotas y con N-formilmetionina en procariotas) y factores proteicos de iniciación (IF). Dicho complejo comienza a formarse cuando se acoplan a la subunidad menor el ARNm y el aminoacil ARNt iniciador. Ambos deben estar presentes antes que la subunidad mayor cierre el complejo originando un ribosoma completo y funcional. La posible secuencia de acontecimientos durante la iniciación de la traducción en eucariotas es:

- el ARNm se acopla a la subunidad menor, para lo cual debe ser previamente reconocida la cap y los nucleótidos contiguos en el extremo 5´ del mensaje

- la subunidad menos se desliza sobre el ARNm hasta localizar el codón de iniciación AUG

- una vez localizado y acoplado el anticodón al codón AUG del mensaje se establece la pauta de lectura correcta para el resto de los codones que contenga la región codificadora del ARNm

- finalmente se acopla la subunidad mayor, quedando el aminoacil ARNt iniciador en el sitio P del ribosoma. Como todas las cadenas polipeptídicas han sido iniciadas por un ARNt iniciador, todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina (o N-formilmetionina en bacterias) como residuo amino terminal. En ambos casos la metionina inicial es eliminada por una aminopeptidasa específica.

De cada molécula de ARNm se sintetiza 1 sola cadena proteica. Los ARNm eucariotas son monocistrónicos. En procariotas pueden originarse varias cadenas polipeptídicas a partir de un ARNm. La mayoría de los ARNm procariotas son policistrónicos. En conclusión, 3 clases de interacciones determinan el inicio de la síntesis proteica:

- reconocimiento del codón de iniciación AUG en la subunidad menor del ribosoma

- acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma cerrando el complejo de iniciación

El proceso de elongación o crecimiento de la proteína puede resumirse en 3 etapas:

- una molécula de aminoacil ARNt ingresa al sitio A vacante del ribosoma (adyacente al sitio P que está ocupado) acoplándose por complementaridad de bases al segundo codón del ARNm expuesto en ese lugar. Esta reacción requiere la intervención de un factor de elongación y GTP

- el aminoácido iniciador se desacopla del ARNt del sitio P, liberando energía que se utiliza en la formación del enlace peptídico entre los 2 aminoácidos alineados (reaccionan el carboxilo del 1º aminoácido con el grupo amino del 2º aminoácido). Esta reacción es catalizada por una peptidil transferasa integrante de la subunidad mayor. Como consecuencia de esta reacción el ARNt iniciador del sitio P queda sin aminoácido y el dipéptido resultante queda enganchado al ARNt del sitio A (peptidil ARNt)

- 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 energía y la presencia de 1 factor de elongación. Como parte del proceso de translocación la molécula libre de ARNt que se ha generado en el sitio P se libera del ribosoma, puesto que su lugar pasa a ser ocupado por el peptidil ARNt. Así el sitio A, que se halla desocupado, puede aceptar una nueva molécula de aminoacil ARNt, con lo cual se vuelven a iniciar los pasos anteriormente analizados.

- la finalización de la síntesis proteica ocurre ante la llegada al sitio A del ribosoma, de uno de los 3 codones stop o de terminación UGA, UAG, UAA. Estos son reconocidos por un factor de terminación. La asociación del codón stop con dicho factor modifica la actividad de la peptidil transferasa, la que adiciona agua al peptidil ARNt en lugar de un nuevo aminoácido.

- Como consecuencia de esta reacción el polipéptido se desacopla del ARNt, liberándose en el citoplasma. El ARNm se desacopla del ribosoma y se disocian las 2 subunidades, las cuales podrán volverse a ensamblar sobre otra molécula de ARNm reiniciándose el proceso de traducción

- la disociación de las subunidades ribosómicas, el ARNm y la cadena polipeptídica

La síntesis proteica requiere más energía que cualquier otro proceso anabólico. Para formar cada enlace peptídico se consumen 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 otro en la translocación del ribosoma.

En cuanto un ribosoma ha traducido una secuencia de aminoácidos suficientemente larga como para dejar libre el extremo 5´ del ARNm, un nuevo ribosoma puede iniciar la traducción. Al grupo de ribosomas que traducen simultáneamente el mismo mensaje se lo denomina polirribosoma o polisoma. Los ribosomas en esta unidad estructural operan independientemente sintetizando una cadena polipeptídica completa.

En eucariotas la traducción es post-transcripcional. En procariotas la traducción es simultánea a la transcripción.

La precisión en la incorporación de los aminoácidos en la secuencia apropiada durante la síntesis proteica, depende básicamente de 2 mecanísmos:

- la unión del aminoácido a su ARNt correspondiente. En esta etapa la actividad correctora de las enzimas aminoacil ARNt sintetasa minimizan los errores en la selección del aminoácido correcto.

- El apareamiento de bases codón-anticodón. En este punto de control participa un factor de elongación que forma un complejo con el aminoacil ARNt y el GTP; este complejo es el que se une al codón correspondiente en el ARNm. Recién después del correcto apareamiento codón-anticodón, el factor se disocia posibilitando la unión del aminoácido a la cadena polipeptídica.

La mayoría de los procariotas están expuestos a una gran variedad de condiciones en su medio y exhiben una notable capacidad para adaptarse a las mismas; esto es consecuencia de una gran habilidad para regular la expresión de genes específicos. Esta capacidad incrementa su aptitud para crecer y dejar progenie en cualquier tipo de condiciones ambientales. En bacterias, los genes que codifican para la síntesis de enzimas que participan en una vía metabólica, se agrupan en el cromosoma en un complejo denominado OPERÓN. Todos los genes del operón actúan como unidades coordinadas mediante un mecanismo de control. Un operón típico consta de:

- genes estructurales: son los genes que codifican para las enzimas de la vía metabólica. Tienen la particularidad de situarse próximos entre si, de manera tal que 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 transcripción

- 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 en una región distinta del cromosoma bacteriano, aguas arriba el sitio operador. Uno de los ejemplos de operón más conocido es el operón Iac. Este es un conjunto de genes que intervienen en la utilización de la lactosa, por parte de la bacteria, como fuente de energía. Las 3 enzimas que intervienen en la vía de degradación de la lactosa son: la enzima permeada, la beta galactosidadsa y la transacetilasa. 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 transcripción. El represor ejerce su influencia mediante control negativo, puesto su interacción con el ADN inhibe la expresión del operón. En presencia de lactosa, este disacarido se une a la proteína represora, provocándole un cambio conformacional e incapacitándola para unirse al ADN del operador. En este ejemplo de operón el represor solo puede unirse al operador en ausencia del inductor. El operón Iac es un ejemplo de operón inducible. El operón Iac también se encuentra bajo control positivo. Este efecto se de cuando en el medio hay glucosa, así la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de AMPc, el cual tiene influencia en el encendido del operón Iac. El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPc denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (pues el medio contiene poca glucosa) el CAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor Iac, aumentando la afinidad de la región promotora para la ARN polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón.

Para que se exprese el operón Iac deben darse 2 condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja. Otro ejemplo, es el operón triptófano, que es un operón reprimible. Codifica para las enzimas involucradas en la biosíntesis del aminoácido triptófano. Con este mecanismo de regulación la bacteria ahorra energía sintetizando triptófano solamente cuando esta sustancia esencial en su crecimiento, está ausente en el medio ambiente.

Los organismos eucariotas pluricelulares poseen el mismo genoma en todas sus células, sin embargo los distintos tipos celulares se diferencian entre sí porque fabrican y acumulan distintos ARNm y por lo tanto distintas proteínas. El genoma eucariota es más complejo que el procariota, existen más niveles en dónde ejercer el control de la expresión génica. Cada etapa en el flujo de información: ADN – ARN – PROTEINAS puede ser regulada.

1- Los factores de transcripción y la expresión genética: Para la transcripción de un gen eucariota se requiere:

- una secuencia promotora o promotor: secuencia de nucleótidos necesarias para la fijación de la ARN polimerasa.

- Secuencias reguladoras: existen dos tipos: a) intensificadoras: secuencias que estimulan la transcripción y cuya localización puede ser a miles de nucleótidos de distancia “río arriba o abajo” del promotor. b) silenciadoras: secuencias 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 la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser: a) activadoras: interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen. b) represoras: interactúan con las secuencias silenciadoras del gen.

La transcripción de un gen depende de la actividad conjunta de los factores de transcripción unidos a las secuencias reguladoras. Cada gen tiene una combinación particular de intensificadores y silenciadores. Las diferencias entre los distintos tipos celulares que comparten el mismo genoma se deben a que cada célula transcribe y expresa distintas proteínas. Esto es consecuencia de que cada tipo celular contiene conjuntos de proteínas reguladoras de la expresión de diferentes genes. La unión de los factores al sitio promotor provoca un cambio conformacional que pliega al ADN entre las secuencias reguladoras y promotora, 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 región codificadora del gen.

2- La estructura de la cromatina y la expresión genética: Existen 2 tipos de cromatina: la eucromatina, transcripcionalmente activa, más desplegada y la heterocromatina, transcripcionalmente inactiva, más condensada. La transcripción solo ocurre cuando el ADN esta desplegado. Por lo tanto, las regiones de cromatina condensada y dispersa varían según el tipo celular.

3- El grado de mutilación y la expresión genética: En algunos eucariotas la presencia de grupos metilo (CH3) en el gen afecta su expresión. La mayoría de los genes que no se expresan están metilados, mientras que en otra célula en donde esos genes se expresan se advierte una disminución de sus niveles de metilación.

El mecanismo por el cual puede obtenerse de un mismo gen 2 proteínas relacionadas se denomina empalme alternativo. Este proceso consiste en unir covalentemente diferentes combinaciones de exones del pre ARNm obteniéndose 2 ARNm maduros con distinta información y por lo tanto 2 productos proteicos que difieren en uno o más tramos de su secuencia aminoácidica.

La proteína ferritina funciona capturando átomos de hierro del medio intracelular, ya que en estado libre, el hierro es tóxico para la célula. la traducción del ARNm para la ferritina 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, la aconitasa se une a una secuencia nucleótidica específica en el ARNm, llamada 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, éste 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.

Dos factores son determinantes de la vida media de una proteína citosólica: su correcto plegamiento y la secuencia aminoacídica de su extremo aminoterminal. Desde el momento que una proteína emerge del ribosoma citosólico, chaperonas moleculares de diversos tipos se unen a la cadena en síntesis, ayudándola a adquirir la conformación nativa. Esta unión es transitoria. Respecto 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 las conduciría a su degradación. Si una proteína adquiere un plegamiento anómalo, o se ha desnaturalizado, o bien su extremo aminoterminal es desestabilizante, entonces ésta pasa a un proceso de ubiquitinización. Consiste en la adición de varias moléculas de ubiquitina. 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 de la ubiquitinización. En caso contrario, la proteína ubiquitinizada, será captada por un proteasoma. Estos están formados por más de una docena de proteasa que la degradan. Se producen oligopéptidos de aproximadamente 8 aminoácidos de longitud.

Las nuevas células solo se obtienen a partir de otras células vivientes por medio del proceso denominado división celular. Cada célula en etapa de división recibe el nombre de célula madre y sus descendientes, llamadas células hijas, heredarán la misma información genética que poseía su progenitora. Las etapas a través de las cuales pasa la célula desde una división celular a la siguiente constituyen el ciclo celular. El ciclo de la célula se divide en 2 fases principales: fase M (mitótica) y la interfase. El proceso de la división celular (fase M) consiste en 2 procesos secuenciales: la división nuclear (cariocinesis) y la división citoplasmática (citocinesis). Pero antes de que una célula típica pueda dividirse, debe duplicar su masa y todos los elementos que contiene. 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 mayoría de los componentes celulares se forman a lo largo de todo el período interfásico comprendido entre dos divisiones celulares consecutivas. El ADN de núcleo celular únicamente se replica durante una etapa limitada y muy concreta de la interfase. Este período recibe el nombre de fase S (síntesis) del ciclo celular. El período comprendido entre la fase M y el comienzo de la síntesis de ADN recibe el nombre de fase G1 (espacio vacío); durante este período la célula está abocada a las tareas que permiten el aumento de su volumen. El período comprendido entre el final de la fase S y la fase M siguiente, recibe el nombre de fase G2. Durante este período la célula posee su conjunto cromosómico por duplicado y realizará la síntesis de elementos requeridos para la mitosis.

Entre 2 mitosis sucesivas una célula debe duplicar todos y cada uno de sus componentes y por consiguiente su masa. Además de la síntesis activa de proteínas y ARN procederá a la duplicación de sus organelas citoplasmáticas: cloroplastos, mitocondrias, sistema vacuolar, cilias, etc. Para todas estas actividades necesitará enormes cantidades de energía que obtendrá de un activo metabolismo. Las histonas son proteínas que se asocian al ADN de eucariotas para formar la cromatina. En el momento en que se generan las nuevas cadenas de ADN, se requerirán más moléculas de estas proteínas para unirse a la nueva cromatina. La síntesis de las histonas ocurre exclusivamente durante la fase S y por consiguiente también se requerirá la síntesis de los ARNm específicos de dichas proteínas.

En organismos unicelulares, tales como bacterias y protozoos, la velocidad de división celular suele estar limitada tan sólo 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. Los diferentes tipos celulares han perdido su capacidad de división rápida. Las células del cuerpo humano se dividen a velocidades muy diferentes.

Las células pasan la mayor parte de su ciclo en G1. Una vez finalizada esta fase, se completará la fase S, se continuará con G2 y la célula se dividirá. No existe retorno una vez comenzada la duplicación en S. Existen 3 categorías de células con ciclos atípicos:

1- Las células nerviosas y las musculares, normalmente no se dividen. Este estado se llama G0.

2- Ciertos tipos celulares, normalmente no se dividen, pero pueden iniciar la síntesis de ADN cuando se enfrentan a un estímulo apropiado (células hepáticas y linfocitos).

3- Células con un nivel relativamente alto de actividad mitótica. Ciertos tejidos del cuerpo están sujetos a renovación continua y deben formarse permanentemente nuevas células mediante división celular. Estas son las células germinales (ovogonias y espermatogonias) que dan lugar a las gametas, las estirpes celulares generadoras de leucocitos y eritrocitos, y las células epiteliales que revisten las cavidades y la superficie del cuerpo.

No todas las células se dividen por mitosis. En organismos de reproducción sexual podemos diferenciar 2 grandes tipos de células: las células somáticas y las germinales. Las primeras forman parte de todos los tejidos y poseen el grado de ploidía correspondiente a esa especie. Estas células aseguran la conservación del número cromosómico dividiéndose por mitosis. Las células germinales dan origen a las gametas (masculina y femenina) que son las células encargadas de participar en la formación de los nuevos individuos de la especie, para lo cual deberán fusionarse dos de ellas, una proveniente de un individuo de cada sexo. Estas células deberán poseer la mitad del número cromosómico de la especie para que luego de la fecundación se regenere el número cromosómico característico.

La progresión de una célula eucarionte a través del ciclo celular requiere de la integración de un largo número de señales intra y extracelulares. Esta transición depende de una serie ordenada de eventos moleculares, durante la cual el inicio de uno de ellos depende de la finalización exitosa del evento anterior. En experimentos de fusión de 2 células, genera un heterocarión cuyos núcleos se comportarán de una manera determinada según el estado de las células que se fusionaron. En resumen, estos experimentos señalan que las células en fase S contienen un factor (FPS) capaz de inducir una fase S prematura en las células en fase G1 pero no en las células en fase G2. Por otro lado las células en fase M contienen un factor (FPM) capaz de inducir eventos mitóticos en células en cualquier estadio del ciclo celular.

Los FPS y FPM son quinasas dependientes de ciclinas (CDKs). Son enzimas que catalizan la fosforilación de proteínas, modificación química que puede activar o desactivar la proteína modificada, según el caso. Estas enzimas son en su forma activa un complejo compuesto por una subunidad catalítica, la quinasa y una subunidad regulatoria, la ciclina. Las ciclinas juegan un rol esencial en la regulación de la actividad quinasa de las CDKs. Cuando la concentración de ciclina es baja, la quinasa carece de la subunidad ciclina y como resultado es inactiva. Cuando la concentración de ciclina alcanza un nivel suficiente, la quinasa se activa y desencadena la entrada de la célula a la fase siguiente correspondiente. Las quinasas dependientes de ciclinas (CDKs) cumplen un papel fundamental en las transiciones del ciclo celular.

El cromosoma va pasando por distintos estadios a lo largo del ciclo, que posibilitan la interacción con los factores promotores, tal que éstos puedan disparar el inicio secuencial de las fases del ciclo. Sobre los orígenes de replicación del ADN se halla permanentemente unido a lo largo de todo el ciclo celular un complejo proteico, complejo de reconocimiento del origen de replicación (CRO). Este complejo interaccionará con distintos grupos de proteínas que varían según la fase del ciclo celular, determinando la adquisición de dos estadios bien diferenciados en el cromosoma:

- pre-replicativo: que lo capacita para la replicación del ADN, de modo que este proceso puede ahora ser disparado por el FPS

- post-replicativo: que posibilita la transición hacia la fase M e impide la ocurrencia de una nueva replicación del ADN antes que la célula se divida.

Los cromosomas heredan sus complejos pre-replicativos PreRC cuando salen de mitosis o los forman durante G1. Para el ensamblado del PreRC son necesarios dos grupos de proteínas además de CRO. El primero grupo son proteínas de vida media corta (A) que se sintetizan en G1 tardío, pero también en G2, para permitir el ensamble del PreRC después de metafase. Estas proteínas se pegan sobre los orígenes de replicación permitiendo así la unión de la 2º familia de proteínas (B) durante la M tardía. Cuando se forma el complejo PreRC el cromosoma está apto para comenzar la duplicación. El inicio de la duplicación lleva a la destrucción del PreRC dejando únicamente CRO unido al origen de replicación y llevando a los cromosomas al estado post-replicativo PostRC que se mantiene hasta la metafase. Con el inicio de la anafase empiezan a formarse nuevamente los PreRC y comienza un nuevo ciclo. Una vez alcanzado el estado PreRC, la fase S comenzará cuando se active FPS. La formación del complejo FPS dependerá entonces de la presencia de su ciclina reguladora. Pero la actividad del complejo FPS está a su vez regulada por la presencia de un inhibidor. Cuando éste se une al complejo FPS lo inactiva. 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 está regulada mediante la activación de FPM. 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 metafísica. Una vez que este proceso se completa, el FPM induce su propia desaparición al activar el sistema de destrucción de ciclinas mitóticas.

Las células utilizan mecanismos de vigilancia que controlan eventos claves del ciclo celular y permiten la transición sólo si estos han sido completados. Se han desarrollados vías que posibilitan revisar la integridad del genoma y frenar la progresión si se detecta daño en el ADN, son los puntos de control. 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. Detectado el daño en el ADN se genera una señal que arresta las células en la fase G1, demora la fase S y/o bloquea la finalización de G2. Todas ellas son manifestaciones alternativas del mismo proceso genético fundamental: la activación de un punto de control por daño en el ADN. La proteína p53 es uno de los mediadores críticos de la respuesta celular a diferentes tipos de estrés genotóxicos. En respuesta al daño del ADN se observa una acumulación de p53. Esta proteína se une a secuencias específicas del ADN actuando como un activador de la transcripción de determinados genes. La habilidad de p53 de activar genes resulta en el arresto del ciclo celular en puntos específicos. Esta pausa otorga a la célula la posibilidad de reparar su ADN antes de la replicación y división celular. Alternativamente, las células pueden entrar en apoptosis (muerte celular programada). En ausencia de p53, las células no se frenarían en la progresión del ciclo celular. De esta manera, el daño al ADN y las mutaciones potencialmente perjudiciales serían transmitidos 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 actuaría básicamente por dos mecanismos distintos:

- 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. 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

- la p21 interaccionaría también con proteínas esenciales para la replicación del ADN

El cáncer es una enfermedad producida por alteraciones genéticas vinculadas con el control celular, resultando en la formación de tumores invasivos que pueden propagarse a distancia por la liberación de células. 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 una serie de características particulares entre las que se encuentran: anomalías cromosómicas numéricas y estructurales, capacidad de dividirse indefinidamente (inmortalidad celular) y desorganización del citoesqueleto. Los genes implicados en la carcinogénesis se dividen en 2 grupos: genes supresores de tumores y oncogenes. Los genes supresores de tumores actúan normalmente poniendo frenos a la proliferación celular, actúan de una manera recesiva. Por el contrario, los oncogenes codifican proteínas que causan la pérdida del control del crecimiento celular y actúan de manera dominante. Estos oncogenes representan versiones alteradas de los llamados protooncogenes, los cuales codifican proteínas vinculadas al normal control del ciclo celular. Los oncogenes conducen a una transcripción desmesurada. Algunos virus portan oncogenes capaces de inducir ciertos tipos de cáncer.

La proteína p53 no mutada se encuentra en las células en estado inactivo y es activada en respuesta a señales intracelulares y extracelulares. La activación aumenta el nivel de la proteína induciéndose así respuestas celulares variadas, entre las cuales se encuentran el arresto del ciclo celular y la apoptosis. Además esta interesante proteína posee funciones bioquímicas que facilitarían la reparación del ADN y la apoptosis. Es una proteína multifuncional. Induce vías que conducen o bien son parte de procesos de reparación del ADN. Exhibe funciones básicas en el mantenimiento de la integridad del genoma también en su estado no inducido. Ha sido implicada como una proteína importante en el desarrollo embrionario, y en la respuesta de células embrionarias a diferentes estrés ambientales. La expresión inapropiada de esta proteína conduce a muerte o aumento de malformaciones. Funciona también como supresor de teratógenos. Aborta células embrionarias con daño en el ADN inducido por teratógenos. Si muchas células mueren por apoptosis, el embrión entero morirá. No sólo la presencia sino el nivel de p53 es importante, ya que desviaciones en el nivel normal de la proteína en cualquier dirección presentan consecuencias nocivas. Tiene una importante actividad como supresor de tumores.

La polimerización de nucleótidos de ADN es un proceso endergónico y por lo tanto es una reacción cuya variación de energía libre es positiva. Ciertos factores difusibles no identificados estarían mediando el inicio de la replicación y otros factores no difusibles impiden el inicio prematuro de un nuevo ciclo de replicación. En resumen, 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.

1- La replicación del ADN es semiconservativa: Hay 3 posibles mecanismos de replicación:

- conservativo: en el cual la replicación producía una molécula hija de ADN completamente nueva y otra que conservaba las 2 cadenas originales.

- semiconservativo: en el cual se producían 2 moléculas hijas formadas por una cadena original y una nueva.

- Dispersivo: según el cual ambas cadenas de las 2 moléculas producidas estaban compuestas por fragmentos nuevos y originales.

2- La replicación tiene un sitio de origen y ocurre en forma bidireccional: La replicación posee sitios específicos (cortas secuencias de nucleótidos) a partir de los cuales se generan, a ambos lados, las llamadas horquillas de replicación (por su forma en Y) determinando un proceso bidireccional. Estas horquillas representan los sitios en donde la doble hélice parental rompe sus puentes de H permitiendo la entrada del aparato enzimático que iniciará 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

Todas las ADN polimerasas (ADN pol) poseen un único sentido de síntesis, 5´- 3´. Cada una de las horquillas de replicación que se forman a partir de un sitio de origen, están constituidas por una hebra adelantada que crece en el mismo sentido que la horquilla y una hebra tenzada cuyos fragmentos de Okazaki crecen en sentido contrario al del desplazamiento de dicha horquilla.

La replicación del ADN requiere de la enzima ADN polimerasa (I, II y III). El proceso de replicación del ADN en bacterias requiere, además de las ADN pol, numerosas enzimas: el reconocimiento del sitio de origen y el comienzo de la apertura de la horquilla de replicación está a cargo de la llamada “proteína de iniciación”; de allí en más, la apertura de las cadenas parentales, utilizando la energía del ATP está a cargo de helicasas; el “superenrollamiento” causado por la acción de la helicasa por delante de las 2 horquillas de replicación es aliviado mediante la acción de la girasa; las hebras simples de ADN se mantienen en ese estado por acción de las llamadas “proteínas de unión a ADN de simple cadena” o proteína desestabilizadoras; los pequeños fragmentos de ARN necesarios para la acción de la ADN pol III denominados “primers” o cebadores; la eliminación de los cebadores 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.

1- Iniciación: la unión de la proteína de iniciación al sitio de origen da comienzo a la formación de la horquilla de replicación, desestabilizando aproximadamente una decena de pares de bases por ruptura de los puentes de Hidrógeno. En este sitio ingresan las helicasas creando 2 horquillas de replicación, cada una de las cuales se desplaza en sentido opuesto (bidireccionalidad). A estas hebras simples de ADN se unen múltiples moléculas de proteínas desestabilizadoras, las cuales mantienen las cadenas separadas impidiendo su renaturalización.

2- Elongación: esta etapa comprende la acción continua de la enzima helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno permitiendo el avance de las horquillas de replicación y de la enzima girasa que alivia el superenrollamiento de la doble hélice generado por esta apertura. La girasa desenrolla el ADN uniéndose al mismo y realizando el corte de ambas cadenas, resellándolas luego de permitir una serie de giros de la molécula que alivian la torsión originalmente producida. La ADN pol III es incapaz de adicionar desoxirribonucleótidos sin contar con un grupo 3´OH con el cual realizar un enlace fosfodiéster, por eso sobre ambas hebras de ADN paternales se sintetizan cortos fragamentos de ARN, proceso catalizado por la enzima primasa. La ADN pol III sólo es capaz de polimerizar desoxirribonucleótidos en la dirección 5´- 3´. Esto determina que en cada horquilla de replicación exista una cadena adelantada (aquella en la que la síntesis 5´- 3´ avanza en la misma dirección que la de la horquilla de replicación) y una cadena retrasada, que es opuesta a la dirección de avance de la horquilla de replicación. La cadena discontinua o retrasada requiere de un proceso de síntesis algo más complejo que implica la síntesis de sucesivos cebadores, a medida que se va abriendo la horquilla de replicación por acción de la helicasa. Cada uno de estos cebadores ofrece un extremo 3´OH a la ADN pol III para la síntesis de un pequeño fragmento de ADN en la dirección 5´- 3´ llamado fragmento de Okazaki. Los cebadores sintetizados deben ser removidos y reemplazados por desoxirribonucleótidos. Esta tarea es realizada por la ADN pol I. Finalmente la enzima ligaza cataliza la formación de los enlaces fosfodiéster entre los diferentes fragmentos de ADN.

3- Terminación: comprende el encuentro de ambas horquillas de replicación en un punto opuesto al sitio de origen del cromosoma bacteriano. Es un proceso aún muy poco conocido a nivel molecular que da como resultado la separación de las 2 moléculas hijas de ADN.

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

La velocidad de movimiento de la horquilla de replicación en eucariotas es 10 veces más lenta que la observada en E. Coli. Al igual que en bacterias existen 3 diferentes ADN polimerasas (llamadas α, δ y ε). Aparentemente la ADN pol δ es la responsable de la síntesis de la cadena continua, mientras que la ADN pol α interviene en la replicación de la cadena rezagada y una de sus subunidades tiene actividad primasa. La ADN pol ε interviene fundamentalmente en los mecanismos de reparación del ADN. La replicación del ADN requiere de un cebador. La enzima telomerasa, incorpora secuencias teloméricas a los extremos cromosómicos. Recordemos que los telómeros están compuestos por la repetición de una secuencia, que en la especie humana es TTAGGG. La telomerasa es una ribonucleoproteína. 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 la telomerasa sintetizará una cadena de ADN usando como molde el telómero de la cadena parental. De este modo se evita el acortamiento de la cadena fija.

Una característica compartida por prácticamente 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´. Este mecanismo de corrección de pruebas se desarrolla durante el proceso mismo de replicación. El ADN genómico y la información que este contiene son irremplazables, y cualquier daño que ocurra en la secuencia de nucleótidos traerá, con alta probabilidad, un perjuicio para la célula o el organismo que lo sufra. Además del propio mecanismo de replicación, una gran diversidad de factores físicos y químicos que pueden provenir tanto de la propia célula como del exterior pueden producir daños en la molécula de ADN. Por eso, no sorprende que existan muchos mecanismos diferentes con un mismo objetivo: mantener la integridad estructural del ADN.

Cuando lo que esta en juego es la integridad del genoma, la célula no se fija en gastos y, como veremos más adelante, algunos de los 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. Las células germinales sintetizan telomerasa y mantienen telómeros grandes. Por su parte, muchas células somáticas aparentemente carecen de telomerasa por lo que sus telómeros se van acortando generación tras generación hasta llegar al estado de senescencia: detienen su división. Sin embargo algunas células mutantes, continúan dividiéndose. La mayoría de ellas perderán repeticiones teloméricas hasta llegar a un punto crítico y morir. Pero si alguna de ellas comienza a sintetizar telomerasa, se multiplicará indefinidamente. Esta propiedad que se encuentra en las células tumorales se denomina inmortalidad celular.

La propia estructura del ADN es la que hace posible la eficiencia de algunos de los mecanismos de reparación: la existencia de 2 cadenas complementarias, hace posible la eliminación de un fragmento incorrecto y su posterior reemplazo por una secuencia correcta siguiendo las “instrucciones” de la hebra complementaria no dañada que actúa como molde.

Se basan siempre en la información contenida en la otra hebra de la cadena, la cual es utilizada como molde. Esto implica que el sistema sea capaz de distinguir cual es la cadena molde y cual la cadena recién sintetizada. Esta capacidad de distinguir las distintas cadenas se basa en la existencia de una enzima (Dam metilasa) que agrega grupos metilo en todas las adeninas que formen parte de la secuencia 5´CATC. Algunos de los componentes de este sistema de reparación se encargan de diferenciar la cadena metilada de la no metilada permitiendo que, una vez detectado un apareamiento incorrecto se elimine la base de la cadena nueva.

Si se produce un apareamiento incorrecto en las cercanías de la secuencia GATC se activa el complejo proteico de las proteínas Mut el cual reconoce tanto la secuencia como el error de apareamiento y realiza un corte en la hebra no metilada. La acción de las enzimas ADN helicasa, y ADN exonucleasas y de las SSB elimina el segmento que contiene el error el cual es reemplazado, mediante la acción de la ADN pol III y ADN ligasa.

Estas bases incorrectas son reconocidas por un conjunto de enzima (ADN glucosilasas) que las eliminan por rotura del enlace glucosilo entre la base y la desoxirribosa generando un sitio apurínico o apirimidínico (sitio AP). Una vez formado el sitio AP por alguna de las glucosilasas especificas, debe intervenir una AP endonucleasa, la cual identifica el sitio AP y corta la cadena de ADN que lo contiene. A continuación el fragmento que porta el sito AP es reemplazado por la ADN pol I y el corte remanente es eliminado por la ADN ligasa. La citosina tiene una tendencia a desanimarse espontáneamente a uracilo (por esta razón el ADN posee timina).

La dasaminación espontánea de la citosina originando uracilo activa una glucosilasa específica que elimina la base originando un sitio AP. Este sitio es reconocido por una AP endonucleasa que elimina el azúcar fosfato, permitiendo la reparación del hueco por acción combinada de la ADN pol I y la ADN ligasa.

Cuando la alteración producida en el ADN distorsiona apreciablemente la estructura espacial helicoidal, el ADN puede ser reparado por un sistema enzimático denominado reparación por corte de nucleótido. Este tipo de sistema se encarga de reparar variadas alteraciones, tales como cambios químicos en ciertas bases o los enlaces anómalos que se producen entre bases contiguas de la misma cadena cuando el ADN es irradiado con luz ultravioleta. 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.

Hay mecanismos de reparación que actúan sin eliminar nucleótidos o bases, sino reparando directamente el cambio químico producido. Cuando sobre las moléculas de ADN incide radiación ultravioleta, suelen generarse enlaces covalentes entre bases pirimidínicas adyacentes de la misma cadena. El dímero de timina es el ejemplo más frecuente. Estos dímeros, conducen, si no son reparados, a errores durante el proceso de replicación. El proceso de fotorreactivación es el mecanismo de reparación directa que elimina estos dímeros de pirimidina a través de la acción de enzimas especializadas (fotoliasas) que absorben luz de mayor longitud de onda y utilizan esta energía para invertir la reacción de dimerización. Para poder utilizar la energía lumínica, estas enzimas requieren de la asociación a cofactores capaces de absorber ciertas longitudes de onda. En todos los casos conocidos uno de estos cofactores es el FADH2. Por ejemplo el cáncer de piel al exponerse a la luz solar, probablemente es por acumulación de dímero de timina y otras modificaciones similares.

Cuando por alguna razón (altas dosis de radiación, agentes químicos altamente mutagénicos, etc) se producen alteraciones severas o muy numerosas en el ADN, la replicación se detiene. La detención del proceso de replicación pone en marcha un mecanismo de respuesta totalmente diferente que implica la intervención de más de 15 productos génicos y que, tiende a producir mutaciones. Este sistema se denomina Sistema SOS. De las numerosas proteínas inducidas, algunas de ellas actúan en la reparación del ADN, sin embargo muchas otras forman parte de una sistema de replicación especializado que es capaz de pasar por encima y seguir replicando más allá de regiones lesionadas que bloquean completamente el sistema normal de replicación de la ADN pol III. Como muchas veces esta lesiones hacen imposible un correcto apareamiento de bases complementarias, la tasa de error es notablemente alta y se dice que tiene “tendencia al error”.

Los fenómenos de recombinación implican el reordenamiento de la información genética dentro y entre moléculas de ADN. Permiten la aparición de nuevas combinaciones genéticas incluso en ausencia de mutación. Se dividen en 2 grandes grupos:

- Recombinación genética homóloga: es el intercambio génico que se produce entre secuencias de ADN homólogas. En el caso de los eucariontes, el ejemplo más importante es el intercambio de fragmentos entre cromosomas homólogos durante la profase I meiótica. Este entrecruzamiento (crossing over) entre cromosomas estrechamente unidos durante las primeras etapas del desarrollo de las gametas y permite que diferentes versiones de un gen (alelos) se mezclen con determinadas versiones de otros genes, incrementando la posibilidad de que al menos algunos de los descendientes producidos sobrevivan a las cambiantes exigencias del ambiente. Este proceso no altera ni la secuencia ni el orden de los genes en el cromosoma. Las enzimas involucradas son la RecA, Rec BCD y RuvC. En procariontes puede observarse porque se transfieren fragmentos de ADN homólogos desde un cromosoma donante a una célula receptora. Esto puede ocurrir mediante alguno de los siguientes pasos: transformación, transducción y conjugación. Dos moléculas homólogas de ADN se aparean e intercambian segmentos. Solo si indican 2 de las proteínas intervinientes: las proteínas de unión a ADN cadena sencilla (SSBP) y RecA.

- Recombinación específica de sitio: el sistema consiste básicamente en una enzima llamada recombinasa y una secuencia corta (20 – 200 pares de bases) que es el sitio de reconocimiento de la recombinasa. No es necesaria la existencia de una secuencia homóloga. Por lo tanto, este tipo de mecanismo de recombinación altera las posiciones relativas de las secuencias nucleótidicas en el cromosoma. Permiten la existencia del fenómeno de transposición. Este mecanísmo consiste en la existencia de elementos genéticos capaces de desplazarse de un lugar a otro del genoma o bien del genoma de una célula a otra.

Las células procariontes se reproducen asexualmente por fisión binaria transversal. Al duplicarse el ADN las 2 copias del cromosoma se encuentran unidas a regiones especializadas de la membrana celular (mesosomas) las cuales se separan gradualmente por el crecimiento e invaginación de la membrana plasmática entre ellas. La fisión ocurre entre los sitios de unión de los cromosomas circulares, por la formación de un septo transversal constituido por membrana plasmática y pared celular. De esta manera cada célula hija adquiere un cromosoma que ya ha comenzado a replicarse nuevamente. La división de la célula procarionte ocurre rápidamente.

En eucariontes de llama Mitosis. Es un tipo de división celular mediante la cual a partir de una célula madre se obtienen 2 células hijas idénticas entre sí. El material genético se ha duplicado previamente en la etapa S y por mitosis se separa por igual en 2 células, cada una con la misma información genética y por lo tanto con la misma cantidad de cromosomas. Consta de 2 subetapas: la cariocinesis y la citocinesis. La cariocinesis abarca la división del material nuclear para la formación de los núcleos hijos y la citocinesis es la separación del citoplasma para dar origen a las células hijas.

1- Profase: Comienza cuando culmina G2. La cromatina, que se halla descondensada en la interfase, se condensa gradualmente hasta formar los cromosomas bien definidos. En esta etapa los cromosomas están constituidos por 2 cromátides (dos copias idénticas de ADN), cada una de las cuales contiene una secuencia de ADN específica necesaria para la segregación cromosómica, conocida como centrómero. En los centrómeros se desarrollan los cinetocoros, una por cada cromátide, dispuestos en direcciones opuestas. Las células eucariontes animales, al inicio de la mitosis, poseen 2 pares de centríolos (duplicados durante la interfase), inmersos en una misma nube de material amorfo denominado centrosoma, que se encuentra por fuera de la membrana nuclear. 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 microtúbulos que formarán el huso acromático cuando se desorganice la membrana nuclear. El nucleolo desaparece debido a la condensación de su cromatina constituyente, que formará parte de los cromosomas cada vez más espiralados. Hacia el final de la profase los microtúbulos citoplasmáticos que forman parte del citoesqueleto interfásico despolimerizan. Esto produce que la célula se torne más esférica y se empiece a formar el huso mitótico.

2- Prometafase: Se inicia con la desorganización de la membrana nuclear en fragmentos de membrana. En este momento los microtúbulos del huso se introducen en la región nuclear y los 2 centrosomas hijos constituyen los dos polos del huso. Por otra parte, en cada centrómero maduran los cinetocoros. Como cada cromosoma posee 2 cromátides hermanas, posee 2 centrómeros y 2 cinetocoros ubicados en direcciones opuestas. Estas estructuras atraen y se unen a algunos microtúbulos del huso: los denominados microtúbulos cinetocóricos, mientras que a los restantes microtúbulos del huso se los llama microtúbulos polares y a los exteriores al huso, microtúbulos astrales. Estos orientan a cada cromosoma respecto al eje del huso, situando un cinetocoro frente a cada polo.

3- Metafase: En esta etapa los cromosomas han alcanzado su máximo estado de condensación y se encuentran unidos a las fibras del huso a través de los cinetocoros de sus centrómeros. Los microtúbulos cinetocóricos traccionan a los cromosomas hasta alinearlos en el plano medio de la célula, denominado plano ecuatorial.

4- Anafase: Dentro de la anafase tienen lugar 2 procesos. Durante la anafase temprana las cromátidas se separan al acortarse los microtúbulos y gracias a los cinetocoros. Cuando las cromátidas están totalmente separadas comienza la anafase tardía, que implica el acortamiento de las fibras para dirigir las cromátidas hacia los polos.

5- Telofase: Los microtúbulos cinetocoricos se desorganizan y los microtúbulos polares se alargan aun más. Se reorganiza la membrana nuclear en torno a cada grupo de cromosomas hijos que se encuentran en polos opuestos de la célula. Las vesículas de la membrana nuclear se asocian con la superficie de los cromosomas individuales y luego se fusionan entre sí, constituyendo las nuevas membranas nucleares. Después que se reconstituye el núcleo, 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. Con esta etapa culmina la cariocinesis, obteniéndose una célula con 2 núcleos con idéntica información genética. El material nuclear ya se ha dividido; ahora debe dividirse el citoplasma para formar las células hijas.

Es la equitativa partición y separación del citoplasma entre las 2 células hijas para completar la mitosis. En las células eucariontes animales la citocinesis ocurre por 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 constituido por filamentos de actina y miosina. El anillo se elimina por completo al culminar la segmentación. Los mecanismos reguladores de la citocinesis deben estar precisamente controlados espacial y temporalmente. En las células de las plantas superiores la citocinesis se da por tabicamiento, debido a que poseen una pared celular rígida que impide su estrangulación. En las células vegetales el citoplasma se divide por la formación de membranas y una pared en el plano ecuatorial de la célula madre separándola en 2 compartimientos que serán las células hijas. En el tratamiento contra el cáncer se utilizan fármacos que inhiben la mitosis.

Al promediar la anafase comienza la citocinesis con la migración de los microtúbulos polares que formaban el huso acromático hacia el plano ecuatorial. Allí se concentran ubicándose paralelamente a lo largo de la célula, conformando el fragmoplasto. A su vez, los complejos de Golgi que se encuentran en regiones adyacentes al fragmoplasto se asocian a los microtúbulos y migran a la región ecuatorial. Luego, las vesículas comienzan a fusionarse entre sí, da por resultado la placa celular precoz. A medida que se van incorporando nuevas vesículas la placa crece desde el centro hacia los extremos hasta fusionarse con la membrana plasmática de la célula progenitora, completándose la separación de las 2 células hijas. Los polisacáridos contenidos en las vesículas se depositan entre las 2 células y se ensamblan dentro de la placa celular precoz formando pectina, hemicelulosa y otros constituyentes de la pared celular primaria. Posteriormente, en el interior de la placa celular, se depositan microfibrillas de celulosa completando la nueva pared celular.

En los organismos eucariontes unicelulares la mitosis constituye un mecanismo de reproducción asexual y de esta forma se transmite la información genética exacta de padres a hijos. Además todos los organismos pluricelulares crecen al dividir sus células por mitosis. Por este proceso, a partir de una única célula (el huevo o cigota) se origina un nuevo individuo que crece y se desarrolla hasta alcanzar el estado adulto. Este mecanismo es también indispensable para la cicatrización de los tejidos dañados.

La reproducción es el mecanismo que permite generar individuos de la misma especie preservando el número cromosómico a través de las sucesivas generaciones y garantizando su perdurabilidad e identidad. En la reproducción asexual el número cromosómico se mantiene estable ya que la división celular implicada (mitosis) es conservativa en este aspecto. En cambio en la reproducción sexual, el nuevo individuo surge como consecuencia de la unión de 2 células sexuales o gametas, por el proceso de fecundación, originando la célula huevo o cigota.

El ser humano cuyo genoma esta compuesto por 46 cromosomas, cada gameta aporta un juego completo de 23 cromosomas, llamado complemento haploide o “n”. La cigota resultante de la fecundación porta 2 juegos completos de cromosomas llamados en conjuntos complemento diploide o “2n”, donde los cromosomas concurren de a pares denominados “pares de homólogos”. Los integrantes de 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.

La meiosis es un tipo de división celular que ocurre por única vez en células especializadas o germinales (2n) para dar 4 células hijas haploides o gametas con nuevas combinaciones genéticas. Consiste en 2 divisiones nucleares sucesivas, conocidas como meiosis I y meiosis II, precedidas por una única duplicación del ADN. La meiosis I es redaccional ya que separa los miembros de cada par de homólogos entre sí y la meiosis II es ecuacional ya que separa las cromátides hermanas de cada cromosoma. La meiosis puede ocurrir en diferentes momentos del ciclo de vida de los organismos:

1- Meiosis gamética (o terminal): está relacionada con la formación de gametas (n), que se fusionan dando como resultado una cigota 2n que se desarrolla en un adulto 2n. La llevan a cabo los animales multicelulares, muchos protozoos y algunas plantas inferiores.

2- Meiosis cigótica (o inicial): ocurre después de la fecundación. El individuo es haploide. Se da en algas, protozoos y hongos.

3- Meiosis espórica (o intermedia): el ciclo de vida se inicia con la unión de gametas (n) generando una cigota 2n que por mitosis desarrolla al esporofito 2n. Este sufre meiosis y da esporas (n) que germinan directamente para dar el gametofito (n), que por mitosis producirá gametas (n). Se dan en las planta superiores.

Las 2 divisiones nucleares sucesivas se designan meiosis I y meiosis II, las que a su vez se subdividen en profase, metafase, anafase y telofase I o II según corresponda. 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 2 cromátides idénticas unidas entre si a nivel del centrómero.

Profase I: Es notablemente más larga que la profase mitótica. Se suele dividir en 5 etapas:

1- Leptotene: los cromosomas se hacen visibles gradualmente y entre las cromátides hermanas se sitúa un denso filamento proteico o cordón axial. La envoltura nuclear comienza a disgregarse.

2- Cigotene: los cromosomas homólogos se aparean específicamente por un proceso llamado sinapsis originando bivalentes. Una estructura denominada complejo sinaptonemico (CS) es la que estabiliza el apareamiento para facilitar la recombinación génica. En este momento tiene lugar el entrecruzamiento o crossing over un mecanismo de recombinación homologa entre ambos cromosomas. Cada fenómeno de entrecruzamiento está mediado por un gran nódulo de recombinación, corpúsculo denso que incluye proteínas y que se encuentran a intervalos regulares a lo largo del componente central del CS. Estos nódulos marcarían la localización de una “maquinaria multienzimática de recombinación” que permite el intercambio de regiones de ADN de las cromátidas materna y paterna.

3- Paquitene: se inicia cuando se completa la sinapsis y se caracteriza por su enorme duración (días o semanas) comparada con la de las otras etapas (horas)

4- Diplotene: Los cromosomas apareados y recombinados comienzan a separarse, por disolución del CS, manteniéndose unidos sólo por puntos específicos llamados quiasmas.

5- Diacinesis: Los quiasmas comienzan a desplazarse hacia los extremos de los bivalentes (terminalización) por la repulsión entre los homólogos. Los bivalentes se unen a las fibras del huso y comienzan a desplazarse hacia la placa ecuatorial, desaparecen los nucleolos y se produce la ruptura de la membrana nuclear.

Metafase I: Los pares de homólogos, aún unidos por los quiasmas terminales, se alinean sobre el plano ecuatorial de la célula de tal manera que las 2 cromátides de un cromosoma se enfrentan al mismo polo.

Anafase I: Comprende la separación de los cromosomas homólogos y su migración hacia los polos de la célula. No existe relación en el comportamiento de cada una de las tetradas, de manera que el desplazamiento de un cromosoma paterno o materno hacia un determinado polo puede verse acompañada por la migración del componente materno o paterno de cada uno de los otros bivalentes.

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 los cromosomas del núcleo original. Además pueden contener distinta información genética debido al crossing over.

Profase II: Los cromosomas vuelven a condensarse, se disgrega la membrana nuclear, desaparece el nucleolo y empiezan a aparecer nuevas fibras del huso.

Metafase II: Los cromosomas se ubican en el plano ecuatorial. En este caso, a diferencia de la metafase I, los cinetocoros de cromátides hermanas se enfrentan a polos opuestos. Los ovocitos de los vertebrados detienen el proceso meiótico en esta etapa. Solo luego de la fertilización se completará la 2º división meiótica.

Anafase II: Las cromátidas hermanas se separan y migran, traccionadas por las fibras del huso, hacia polos opuestos.

Telofase II: Los husos desaparecen, se forma la envoltura nuclear en torno de cada juego de cromosomas. Simultáneamente ocurre la citocinesis, dando como resultado 4 células haploides. En la meiosis terminal o gamética el proceso de formación de las gametas recibe el nombre de gametogénesis. En los vertebrados comprende a la ovogénesis (formación de óvulos) y la espermatogénesis (formación de espermatozoides), procesos que tienen lugar en las gónadas u órganos sexuales de hembras y machos.

Ocurre en los ovarios. Las células primordiales son las ovogonias (2n). En la mujer, alrededor del 3º mes de desarrollo fetal, todas las ovogonias duplican su ADN y se diferencian originando ovocitos primarios (2n). Al 5º mes de vida intrauterina, el ovocito primario comienza la meiosis I quedando detenida en la profase I en el 8º mes. Durante la larga profase I, los ovocitos primarios sintetizan la cubierta y gránulos corticales, acumulan ribosomas, vitelo, glucógeno, lípidos y el ARNm que posteriormente dirigirá la síntesis de proteínas necesarias para el crecimiento embrionario inicial y la puesta en marcha del desarrollo. Recién completará la meiosis I a partir de la pubertad bajo influencia hormonal. En forma cíclica, algunos ovocitos I se van a transformar en ovocitos II y los primeros corpúsculos polares. Si bien genéticamente ambas células son haploides, la citocinesis no es equitativa, por lo que el ovocito II se lleva prácticamente todo el citoplasma y el potencial de desarrollo. Luego, el ovocito II, como consecuencia de la meiosis II y citocinesis diferencial, produce un 2º corpúsculo polar que degenera y el óvulo, que es la gameta femenina. En la ovulación, el ovocito II es liberado del ovario y, si tiene lugar la fecundación, ésta lo estimula a concluir la meiosis.

Ocurre en los testículos. Las células primordiales son las espermatogonias (2n). En el hombre, durante la pubertad y bajo influencia hormonal, las espermatogonias duplican su ADN y se diferencian en espermatocitos I (o primarios). Estos por meiosis I originan 2 células haploides o espermatocitos II (o secundarios), las que a su vez producen, como resultado de la meiosis II, a las espermátidas (n). Luego, por un proceso de maduración y diferenciación llamado espermogénesis, las espermátidas se transforman en espermatozoides. Las células germinales masculinas en desarrollo no completan la citocinesis, de modo que todas las células hijas permanecen conectadas por puentes citoplasmáticos que persisten hasta el final de la diferenciación de los espermatozoides.

En comparación con la reproducción asexual, la reproducción sexual es enérgicamente costosa e ineficiente, ya que se requiere del encuentro de 2 células para generar al nuevo organismo. La ventaja radicaría en las variaciones genéticas de la progenie, ya que por meiosis y fecundación los genomas se mezclan y recombinan al azar produciendo individuos con nuevas combinaciones genéticas. Durante la meiosis se producen 2 tipos de redistribuciones génicas. Una de ellas es consecuencia de la distribución al azar entre las células hijas de los distintos cromosomas homólogos paternos y maternos durante la Anafase I, o las distintas cromátides en Anafase II, adquiriendo cada gameta una dotación diferente de cromosomas. La segregación independiente permite entremezclar los cromosomas paternos y maternos. La otra fuente de variabilidad se debe al crossing over que ocurre durante la Profase I. La recombinación génica permite entremezclar alelos maternos y paternos. La recombinación es un proceso de notable precisión. Entre cada par de homólogos se producen, por término medio, entre 2 y 3 entrecruzamientos, mezclándose el contenido genético de cada uno de los cromosomas. Además hay que considerar una 3º fuente de variabilidad originada en la fecundación, ya que este proceso de por sí mezcla genes provenientes de 2 núcleos gaméticos provenientes de 2 individuos diferentes.

- Intervenciones: el cromosoma se rompe en 2 sitios y el segmento situado entre los puntos de ruptura se vuelve a fijar dentro del cromosoma en orden inverso. El individuo posee todos los genes de un cromosoma normal, por lo que no se ve afectado, pero durante la meiosis el cromosoma aberrante no puede formar un par apropiado con su homólogo normal debido a las diferencias en el orden de sus genes. Las gametas tendrán una copia adicional de ciertos genes (duplicación) o carecerán de dichos genes (supresión).

- Translocaciones: se produce cuando un fragmento de un cromosoma se fija a otro cromosoma. Estas causan problemas en la meiosis, dando gametas con copias extra de genes o ausencia de los mismos.

- Supresiones: es la pérdida de una región de un cromosoma; por lo tanto provoca ausencia de genes y genera graves consecuencias. Si una gameta que contiene este tipo de alteración es fecundada, la cigota resultante generalmente no es viable o desarrolla un embrión con malformaciones.

- Duplicaciones: se dan cuando se repite un fragmento del cromosoma. Las actividades celulares son muy sensibles al número de copias de genes, por lo tanto, las copias extra pueden tener graves efectos.

Otras alteraciones afectan al número de cromosomas y son consecuencia de que los pares de homólogos no se separan durante la meiosis I o las cromátides hermanas no se separan durante la meiosis II. En general, la cigota anormal da lugar al desarrollo de un embrión anormal que muere en alguna etapa entre la concepción y el nacimiento. Un cromosoma extra genera una trisomia. Un cromosoma de menos origina una monosomia. La ausencia de un cromosoma autosómico siempre es mortal. De las trisomias, sólo las que afectan a los cromosomas 13, 18 y 21 permite a la cigota sobrevivir hasta el nacimiento presentando los individuos afectados, diferentes tiempos de sobrevida. Mientras que las trisomias 13 y 18 (síndrome de Patau y síndrome de Edwards) raramente alcanzan el año de sobrevida, la trisomia 21 (sindrome de Down) presenta sobrevidas que en algunos casos alcanzan varias décadas.

Gregor Mendel demostró que las características hereditarias son transmitidas por factores individuales que se distribuyen de distinta manera en cada generación. Para realizar sus experimentos eligió la arveja común.

La aparición y desaparición de los caracteres y sus proporciones constantes en la descendencia podían explicarse si las características hereditarias fuesen determinadas por factores discretos separables. Estos factores tenían que estar de a pares en cada individuo, siendo heredados uno de cada progenitor durante la fecundación; los pares se volverían a separar cuando se producían las gametas, las cuales portaban solo uno de esos factores. Esos factores son los genes y sus formas alternativas son los alelos. La hipótesis de que todo individuo tiene un par de alelos para cada rasgo o gen y que se segregan durante la meiosis, se conoce como 1º ley de Mendel. Cuando los alelos de un gen son idénticos, se dice que el organismo es homocigota para esa característica en particular.

Durante la segregación de los cromosomas homólogos en la meiosis, a cada gameta pasa un alelo de cada par. Luego al combinarse con otra gameta por fecundación, los alelos vuelven a estar de a pares en la célula huevo o cigota. La conformación genética del individuo es denominada genotipo, y en él cada alelo existe independientemente como una unidad discreta aunque no se manifieste. La interacción de los genes con el ambiente y su expresión determinan el fenotipo. Si los 2 alelos de un gen son iguales (estado homocigota) se expresan ambos, pero si son diferentes pueden ocurrir diferentes casos:

- Dominancia completa: uno de los alelos domina sobre el otro enmascarando o inhibiendo su acción, en cuyo caso el organismo se presenta como si tuviera sólo el alelo que se expresa. Al alelo que se expresa se lo llama dominante y se le adjudica la letra mayúscula y el alelo que queda enmascarado recesivo y se le adjudica la misma letra minúscula. De esta manera, al individuo de genotipo TT se lo denomina homocigota dominante, al individuo de genotipo tt homocigota recesivo y al individuo Tt heterocigota. El cruzamiento de 2 individuos heterocigotos para una característica produce una proporción de 3 a 1 en los descendientes. Esta es la proporción fenotípica esperada de ese cruzamiento. Por otra parte la proporción genotípica de ese cruzamiento es 1:2:1 para los genotipos TT, Tt y tt respectivamente. Este procedimiento asume que no existe ningún tipo de atracción o repulsión entre gametas, que el número de gametas que portan cada uno de los 2 alelos del heterocigota es igual y que, en definitiva, la fecundación es absolutamente aleatoria.

- Dominancia incompleta: los rasgos parecen mezclarse obteniendo un efecto combinado o fenotipo intermedio del heterocigota. Las proporciones fenotipicas son las que se apartan de la proporción usual 3:1. La ausencia de dominancia hace que cada uno de los genotipos pueda distinguirse de los demás, presentando entonces una proporción fenotípica de 1:2:1, coincidentes con la proporción genotípica.

- Codominancia: si cada uno de los alelos de un gen se halla asociado a la producción de una sustancia diferente, se produce codominancia cuando ambas sustancias aparecen juntas en el heterocigota. Por ejemplo, los alelos múltiples del gen I que determina el sistema de grupos sanguíneos AB0 (I A e I B dominantes sobre I 0 y codominantes entre si). Los alelos I A e I B determinan pequeñas (pero importantes) diferencias en los oligosacáridos de las glicoproteínas presentes en las membranas de los eritrocitos humanos (antígenos A y B). El alelo I 0, por el contrario no produce antígeno.

En los cruzamientos monohíbridos se consideran los alelos de un solo gen. Los cruzamientos en los que intervienen individuos que poseen diferentes alelos para 2 genes se denominan dihíbridos. La 2º ley dice que cuando dos pares de alelos se ubican en cromosomas no homólogos, cada para segrega independientemente de los alelos del otro gen. Esta proporción fenotípica 9:3:3:1 es la esperada para el cruzamiento de 2 individuos heterocigotos para 2 genes ubicados en diferentes pares de cromosomas homólogos.

Es la expresión o actividad génica variable de los distintos tipos celulares del organismo. Esta actividad génica variable se refleja en la síntesis preferencial de proteínas específicas de cada tipo celular siendo este el resultado de la expresión de sólo una parte de los genes que cada célula posee. Además, en todos los tipos celulares se expresan también los genes vinculados a funciones de mantenimiento comunes a todas las células, tales como los genes correspondientes a las enzimas de la glucólisis, síntesis de membranas, etc. El proceso de diferenciación implica diferente actividad génica en distintos tipos celulares, sin que esto acarree pérdida de la información genómica. Características:

1- Las diferencias entre los distintos tipos celulares son estables y hereditarias: en los organismos superiores, una vez que una célula ha alcanzado el estado diferenciado éste se conserva y transmite a lo largo de las generaciones celulares subsiguientes. Esto se reconoce como memoria celular.

2- La determinación precede a la diferenciación: previamente a la diferenciación existe en la célula un estado llamado comprometido o determinado en el cual no es posible reconocer aún las diferencias morfológicas del estado diferenciado pero una vez que se ha alcanzado la determinación esta es irreversible y la célula seguirá un camino específico y no otro. La determinación puede depender de un determinante citoplasmático o de una sustancia inductiva.

3- La diferenciación y el desarrollo del plan corporal se realizan en una serie de pasos controlados genéticamente: el desarrollo del plan corporal se encuentra controlado por una serie de genes rectores (pues controlan la expresión de genes subordinados) que codifican factores de transcripción específicos y se encuentran relacionados en forma jerárquica, no sólo temporal sino espacialmente en dirección cefalocaudal: “genes de la polaridad del huevo”, “genes segmentarios” y “genes hometicos”. Ej: mosca.

1- Control a nivel de la transcripción: el control podría ejercerse a través de cambios en la estructura de la cromatina, ya que el grado de condensación de la misma está relacionado con el nivel de expresión: la heterocromatina contiene genes inactivos. Otro posible mecanismo de control de la transcripción está relacionado con la metilación del ADN ya que se ha encontrado que ciertos genes inactivos se encuentran más metilados que los activos. También los mecanismos post-transcripcionales de procesamiento del ARN, una importante fracción del ARNm transcripto nunca es poliadenilada y es desechada.

2- Control a nivel de la traducción: ARNm previamente transcriptos y exportados al citoplasma pero que sólo son traducidos en respuesta a algún estímulo externo.

3- Amplificación génica: es un fenómeno raro consistente en la síntesis de numerosas copias de un determinado gen. Estas copias no son transmitidas a la descendencia.

4- Transposición: la reubicación de genes de un sitio en el cual no se expresan a otro en donde si pueden expresarse.

La síntesis de ADN y ARN en el núcleo tiene un control citoplasmático. Es posible obtener por separado núcleos rodeados de una delgada capa de citoplasma: carioplastos y citoplasmas enucleados: citoplastos. Los citoplastos son capaces de sobrevivir unos días realizando sus funciones normales a pesar de carecer de núcleo.

El genoma permanece constante durante la diferenciación celular, sólo se expresa en forma diferencial según el ambiente donde está localizado. En el inicio, la diferenciación radica en el citoplasma. En el citoplasma de la célula huevo existen sustancias inhomogéneamente distribuidas llamadas determinantes citoplasmáticos que se reparten en forma desigual entre las células embrionarias hijas provocando que cada una siga un camino de diferenciación determinado.

Es posible que la posición de las distintas células en la mórula (superficial o profunda) las expondrían a diferentes concentraciones de sustancias difusibles lo cual conduciría a la diferenciación celular. Cabe recordar que en la mórula las células se encuentran estrechamente relacionadas por distintos tipos de uniones celulares. Estas sustancias difusibles denominadas “morfógenos” ejercerían su efecto diferencial sobre células idénticas por activación de distintos genes de acuerdo a la concentración con que las alcancen. La diferenciación producida dependería de alcanzar el valor de concentración umbral de morfógeno requerido. El fenómeno denominado “inducción embrionaria”, o sea el efecto ejercido por un grupo de células sobre las adyacentes produciendo su diferenciación específica. No todos los tejidos son inductores o inducidos, algunos no participan de este mecanismo de diferenciación. Son 2 requisitos para que se lleve a cabo el mecanismo de inducción: que el tejido sea competente, es decir que de algún modo sea capaz de reaccionar a la acción del tejido inductor y que la sustancia inductora actúe en un determinado momento del desarrollo y no otro.

En el estado adulto existen tejidos como el de la médula ósea que conservan células con características multipotenciales que les permiten originar distintos linajes celulares. También células diferenciadas son capaces de desdiferenciarse para multiplicarse, como en el caso de la regeneración del hígado en respuesta a la extirpación de una parte del órgano. En ciertos tejidos del adulto después de la división celular sólo una de las células hijas se diferencia quedando la otra en un estado blástico y en condiciones de volver a dividirse (piel, epitelio intestinal)

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Todos los seres vivos están formados por los mismos materiales, en todos ellos se observan los mismos principios básicos de funcionamiento y todos están relacionados entre sí porque descienden de un antecesor común. Los cambios a lo largo del tiempo, son importantes para explicar la diversidad biológica. Para interpretar los datos, relacionarlos y descubrir los mecanismos que dieron lugar a la diversidad del mundo vivo, del cual formamos parte, debemos estudiarlos en el marco de la teoría de la evolución. La evolución de los seres vivos es el resultado de un proceso histórico de cambios de diferentes niveles: macromoléculas, genotipos, comportamientos, comunidades, ecosistemas.

En el estudio de las semejanzas y diferencias de los organismos debemos considerar las variables tiempo y espacio. Lamarck , en 1809, explicita por 1º vez una teoría de la evolución biológica a la que denominó transformismo. Según esta teoría, las diversas especies vegetales y animales derivan de uno o de varios tipos primitivos debido a sucesivas transformaciones. Los cambios ambientales producían nuevas necesidades en los organismos, surgiendo así nuevos comportamientos que, con el tiempo, los conducían a cambios estructurales. Para él era muy importante conocer las relaciones y las interacciones entre los organismos vivos y el ambiente. Si éste variaba, por ejemplo: el clima, los organismos trataban de adaptarse a cada uno de esos cambios. Para él cada ser vivo se amoldaba al medio.

- El origen de un nuevo órgano o transformación está motivado por una nueva necesidad, la cual provoca un “sentimiento o impulso interno” que induce a la formación del órgano.

- El uso y desuso de las partes del organismo conducen a su mayor o menor desarrollo e incluso a su degeneración

- Las modificaciones que se acumulan en un individuo a lo largo de su vida, se transmiten a su descendencia

La teoría de Darwin se limita a la materia viva y a uno de sus procesos de cambio, el cambio evolutivo. En biología podemos distinguir 2 niveles diferentes de procesos de cambio. Por un lado los cambios que ocurren en el interior de los organismos individuales (intraorganísmicos); y los otros cambios son transformaciones a nivel de las poblaciones, especies, comunidades y econsistemas (supraorganísmicos). Darwin en 1859 postuló en la 1º edición de su libro “El origen de las especies”:

- Todas las especies tienen un potencial de reproducción como para multiplicarse geométricamente, esto no sucede porque existen presiones ambientales. Los organismos producen mayor descendencia que la que puede sobrevivir. Por lo tanto hay una “lucha por la existencia”

- En condiciones naturales aunque puede haber ciertas fluctuaciones las poblaciones mantienen constante el número de individuos durante largos períodos de tiempo

- Entre los organismos de una misma especie se observan variaciones, “modificaciones”

- En una población existen diferencias entre los individuos que la componen y ellas podían ser heredadas

- Los individuos que muestran variaciones favorables en la lucha por la existencia tienen ventaja en relación a los demás. Sobrevivirán más y tendrán mayor descendencia

- Las variaciones favorables se acumulan a lo largo del tiempo por selección natural. Para Darwin el ambiente es la causa principal de la selección natural, ésta gradualmente irá eliminando a los organismos con variaciones desfavorables e irá manteniendo a los que tienen variaciones favorables

- A lo largo de centenares o miles de años las generaciones sufren la influencia selectiva del ambiente, llega un momento en que un grupo de organismos acumula tantas variaciones nuevas y favorables que surge una nueva especie a partir del grupo original

La evolución es un proceso continuo, esto significa que ningún organismo vivo se halla exento del proceso evolutivo. El estudio de la historia de la vida sobre la tierra proporciona una enorme cantidad de evidencias que indican que todas las especies descienden de otras especies.

Darwin y Wallace trataron de organizar mediante una clasificación a la enorme cantidad de organismos. Estableciendo relaciones y comparaciones, se encontraron semejanzas y diferencias, proponiendo relaciones de parentesco, buscando antepasados comunes. Toda esta metodología inaugura una nueva etapa de las ciencias biológicas porque los organismos son estudiados con nuevos criterios: el de cambios en las especies a través del tiempo y el criterio fisiológico, reemplazando el antiguo criterio descriptivo de órganos e individuos sin ningún tipo de relación entre sí. Se observan estructuras que si bien no cumplen la misma función, tienen un origen común dándoles el nombre de homologías. Estas son consideradas pruebas irrefutables de la evolución. La secuenciación y comparación de macromoléculas de distintos organismos de la misma especie, o de especies relacionadas entre sí, permite estimar distancias evolutivas. Cuanto mayor sean las diferencias en las secuencias de las macromoléculas, más tiempo habría pasado desde que la especie poseedora de ella se separó del último antecesor común. Darwin no pudo explicar el mecanismo de la herencia y el origen de las modificaciones.

Si bien no existen fósiles que expliquen cómo se originaron las primeras células, sí existen fósiles de bacterias, plantas y animales que indican que la historia de la vida sobre la Tierra comenzó hace aproximadamente unos 3600 millones de años con la aparición de células pequeñas y semejantes a las bacterias actuales (procariontes). Mientras que hace sólo unos 1500 millones de años aparecieron las células eucariontes que encontramos en protistas, hongos, plantas y animales. En las primeras células la información hereditaria se encontraba en el ARN y no en el ADN. Se propone que el ARN apareción antes en la historia de la vida, sus funciones serían contener la información genética y actuar como catalizador biológico (ARN Catalítico).

Cuando comenzó la vida sobre la Tierra las células utilizaban como alimento moléculas del ambiente, con el tiempo estos recursos fueron disminuyendo y se generó una gran competencia por ellos entres las diferentes células. Las células que durante este proceso pudieron fabricar enzimas y con ellas sintetizar moléculas orgánicas, fueron seleccionadas positivamente por el ambiente. En este proceso aumenta la cantidad de enzimas diferentes dando lugar a distintas vías metabólicas.

Teniendo en cuenta que en la atmósfera de la Tierra primitiva no había oxígeno libre se postula que las primeras vías metabólicas eran anaeróbicas. La hipótesis de que estas vías tienen un origen muy antiguo se fundamenta en que estas reacciones ocurren en todos los organismos vivos. Las enzimas que catalizan las reacciones metabólicas fundamentales, sufrieron modificaciones a medida que los organismos evolucionaron hacia formas divergentes.

En el comienzo de la vida, cuando aumenta la competencia por las sustancias del medio para la síntesis de compuestos orgánicos, aquellas células que pudieron utilizar el dióxido de carbono y nitrógeno atmosférico para la síntesis de moléculas orgánicas, como por ejemplo azúcares simples, tenían muchas más posibilidades de sobrevivencia. La utilización del dióxido de carbono dio lugar al proceso de la fotosíntesis que, en un principio, utilizó el H2S como dador de electrones liberando S. Posteriormente, surge el proceso fotosintético que obtiene los electrones de la molécula de agua y libera oxígeno al ambiente. La aparición de organismos capaces de sintetizar compuestos orgánicos permitió que otros se alimentaran de ellos. La fotosíntesis cambió el ambiente de la Tierra, en relación a la composición de la atmósfera terrestre, al liberar oxígeno y transformar esta atmósfera carente de oxígeno libre (reductora) en una atmósfera donde éste representa el 21% del total de su composición (oxidante). Si bien este oxígeno resultó tóxico para muchos de los primeros organismos, y también para las bacterias anaeróbicas, al mismo tiempo permitió a los organismos que lo utilizaron poder oxidar completamente el alimento y obtener más energía por cada molécula de glucosa. La presencia de oxígeno libre dio lugar a que muchos organismos estuviesen en desventaja inclusive algunos se extinguieron. Otros desarrollaron la capacidad de respirar o bien encontraron ambientes con bajo contenido de oxígeno. Algunos pasaron a ser parásitos o predadores de las células aeróbicas, otros, según algunos autores, pasaron a ser endosimbiontes (viven juntos) de estas células y dieron lugar a las células eucariotas.

Cuando las bacterias poblaban la Tierra hace millones de años se iniciaba la evolución que daría lugar a la célula eucariota. Ciertas partes de las células eucariontes, las mitocondrias, los cloroplastos y tal vez los peroxisomas son descendientes de las bacterias y fueron incorporados por algún antecesor eucariota hace unos 1500 millones de años. Este antecesor eucariota los habría adoptado como endosimbiontes. Christian de Duve divide la historia de la célula eucarionte en dos etapas:

- La post-endosimbiótica desde hace 1500 milllones de años hasta la actualidad

La primera etapa se desconoce y sería la transición desde el procarionte ancestral hasta una célula capaz de fagocitar bacterias y adoptarlas como endosimbiontes. Pero se conocen algunos eucariontes unicelulares, que datan de la era pre-endosimbiótica llamados diplomonas, especie Giardia lamblia, parásito que produce ciertas infecciones intestinales graves. La Giardia se alimenta fagocitando materiales del medio. En la Giardia no hay mitocondrias ni cloroplastos, posee 2 núcleos del mismo tamaño y sus ribosomas son más parecidos a los de los procariontes que a los de los eucariontes.

La crucial transición procarionte-eucarionte ocurrió en algún momento entre 1000 y 1500 millones de años. Actualmente existe un eucarionte, la ameba Palomyxa palustres que no posee mitocondrias, realiza un metabolismo oxidativo hospedando bacterias aeróbicas en su citoplasma, manteniendo una relación simbiótica permanente. Estos son representantes de 2 etapas en la evolución de los eucariontes. Se postula que, los cloroplastos, comparten un ancestro común con las cianobacterias y que evolucionaron a partir de procariontes que pasaron a vivir dentro de células eucariotas. Las mitocondrias y los cloroplastos de las células actuales han sufrido importantes cambios evolutivos y han pasado a ser altamente dependientes de sus huéspedes y sujetos a su control.

Los organismos unicelulares (bacterias y protistas) han tenido tanto éxito al adaptarse a una gran variedad de ambientes diferentes que constituyen más de la mitad de la biomasa de la Tierra. Estos organismos pueden sintetizar a partir de pocas moléculas simples todas las sustancias que necesitan y algunos de ellos se multiplican varias veces durante una hora. ¿Qué pasos se dieron en la evolución biológica en el surgimiento de los organismos pluricelulares? … uno de los primeros pasos en la evolución de los organismos pluricelulares fue la asociación de organismos unicelulares formando colonias. Una manera muy sencilla seria que después de cada división celular las células hijas permanezcan asociadas. Las células se conectan por finos puentes citoplasmáticos, el batido de sus flagelos está coordinado para propulsar a toda la colonia. Dentro de la colonia existe una cierta división del trabajo entre las células. Las otras son tan dependientes unas de otras que no pueden vivir aisladas, y el organismo muere si se destruye la colonia. El nivel colonial es considerado como una transición entre el nivel celular y el pluricelular. En la colonia existe cierta especialización y cooperación entre las células que se combinan formando un único organismo coordinado con nuevas propiedades y capacidades mayores que las que tendría cualquiera de las partes que lo componen. La unión de las células entre sí a través de diferentes maneras permite la formación de un organismo pluricelular. Los distintos tipos de uniones celulares permiten además, la formación de los diferentes tejidos. Las células de los organismos pluricelulares proceden de sucesivas divisiones de una única célula precursora, la cigota.

El estudio de las proteínas y las moléculas de ADN también puede proporcionar información que permita reconstruir el pasado; y que complemente a los datos brindados por los fósiles. Cuanto mayor sea el número de diferencias en la secuencias de bases (o de aminoácidos de sus proteínas) mayor será su distancia evolutiva. Por el contrario, cuanto menos diferencias tengan, mayor sería su grado de parentesco. Los biólogos evolutivos van más allá y no sólo intentan establecer el grado de parentesco entre las especies sino también, en qué momento de la historia evolutiva se separaron sus antepasados. Para ello se valen del concepto de reloj molecular. Este concepto se basa en 2 supuestos: el 1º dice que las mutaciones puntiformes en las secuencias de ADN son al azar y, el 2º que las mutaciones se producen a un ritmo casi constante a lo largo del tiempo evolutivo.

Las moléculas de mayor interés para estudiar la evolución humana es el ADN mitocondrial. Las razones son dos: la 1º es que el ADN mitocondrial acumula cambios mucho más rápidamente que el ADN nuclear. Se calcula que muta a una velocidad 10 veces mayor, por lo que permite rastrear cambios ocurridos a lo largo de los últimos miles de años; a diferencia del ADN nuclear, que al cambiar más lentamente, permite detectar variaciones ocurridas a lo largo de millones de años y no sucesos más recientes. La 2º ventaja es su vía de transmisión. Este ADN se transmite por vía materna. La consecuencia es que no sufre cambios por recombinación, motivo por el cual, su variabilidad genética a través de las generaciones se debería solamente a mutaciones. El ADN de los africanos es más antiguo. Según estos datos, el origen del hombre se encontraría en Africa.

Durante mucho tiempo se pensó que el ADN era una molécula sumamente estable. Se descubrieron segmentos de ADN móviles, a los que se ha denominado Transposones o elementos transponibles. Estos elementos son capaces de replicarse y propagarse por el material genético saltando de una parte del genoma a otra. Incluso, hay indicios para suponer que pueden hacerlo entre diferentes especies. Se descubrieron muchas familias de elementos transponibles en bacterias, hongos, plantas y en el hombre. Algunos se presentan en una especie o en especies afines; también hay varias familias de transposones dentro de una misma especie. Juegan un papel importante en la evolución ya que, al insertarse en diferentes segmentos de ADN, provocan mutaciones al alterar la secuencia de bases y, lógicamente, la diversidad genética sobre la que actuará la selección natural. Asimismo, los elementos transponibles pueden insertarse en secuencias reguladoras y modificar la expresión de un gen, ya sea induciendo a su activación o su inhibición. Se clasifican en 2 grandes familias: los retrotransposones y los transposones. Los primeros se propagarían a través de un mecanismo similar al de los retrovirus: primero sintetizan ADN a partir de ARN, luego ese ADN se insertaría en otra parte del genoma. Y los segundos tienen una estructura más simple y no se propagan a través del ARN. Consisten en segmentos de ADN integrados al genoma que se cortan (o copian) y luego se insertan en otro sitio del genoma.

En nuestra especie hay una alta variabilidad. El fenotipo va muchísimo más allá de lo que podamos percibir a simple vista. Durante siglos, se ha tratado de clasificar a los seres humanos en distintos grupos o razas. Durante décadas, discutieron acerca de cuántas razas existían dentro de la especia humana y qué criterios debían utilizarse para definirlas. Jamás se llegó a un acuerdo acerca de cuántas razas humanas existían ni cuáles eran los criterios que debían ser considerados como tipificadotes. Por una sencilla razón, las razas no existen en nuestra especie:

1- las diferencias genéticas existentes entre 2 individuos elegidos al azar y pertenecientes a una misma “raza” son las mismas o incluso mayores que si se tratase de dos individuos pertenecientes a “razas” distintas

2- las diferencias en las frecuencias alélicas que aparecen en poblaciones con distinta ubicación geográfica no son significativas y, por lo tanto, no se les puede asignar un carácter tipológico

3- en una población cualquiera de seres humanos están presentes la gran mayoría de los alelos propios de cada uno de nuestros genes

4- existen enfermedades que son más frecuentes en algunas poblaciones lo cual no implica que sean propias de una “raza”. A pesar de que existe una elevada homogeneidad genética dentro de nuestra especie, existen ligeras variaciones entre distintas poblaciones

5- los distintos intentos de clasificar a los seres humanos según sus supuestas diferencias biológicas y aún psicológicas no hacen otra cosa que bastardear los conceptos científicos para ponerlos al servicio de cuestiones políticas e ideológicas. El concepto “etnia” reconoce las diferencias entre los distintos pueblos en base a sus particularidades históricas, lingüísticas y culturales

De la combinación de los principios mendelianos con la teoría darwiniana surge como ciencia nueva la genética de poblaciones. Un concepto importante para la genética de poblaciones es el de conjunto de genes o pool génico, que es la suma de todos los alelos de todos los genes de todos los individuos de la población, concepto que unifica y define a una población. La genética de poblaciones estudia el pool de genes, sus cambios de composición en el tiempo y las causas que provocan esos cambios. En las poblaciones naturales, algunos alelos aumentan su frecuencia de generación en generación, y otros decrecen. La evolución, para esta teoría, es el resultado de los cambios acumulativos en el pool génico a lo largo del tiempo.

La variabilidad heredada de los individuos en una población tiene una gran importancia en la evolución. ¿Cómo pueden permanecer juntos, en una misma población, alelos dominantes y recesivos? La recombinación génica que se produce en cada generación en un organismo diploide, no cambia por sí misma la composición global del pool génico.

Si consideramos un solo gen con 2 alelos A y a, y si se mantienen las condiciones ideales, las frecuencias de los alelos A y a no cambian en la población de una generación a la siguiente. Además, la frecuencia de las 3 posibles combinaciones AA, Aa y aa, no cambiarán tampoco de una generación a la otra. El conjunto de genes de la población se encontrará en una situación estacionaria, en equilibrio en relación con estos alelos. Si p designa la frecuencia de un alelo, por ejemplo (A), y q representa la frecuencia del otro alelo (a). La suma de p más q siempre es igual a 1 (es decir, el 100% de los alelos de un gen determinado en el pool génico). La expresión p2 representa la frecuencia de los individuos homocigóticos para un alelo AA, que q2 representa la frecuencia de los individuos homocigóticos para el otro alelo aa, y 2pq frecuencia de heterocigotos.

Factores que pueden aportar cambios en las frecuencias génicas de una población

1- Mutación: Desde el punto de vista de la genética de poblaciones, las mutaciones son cambios heredables en el genotipo y no sólo afectan a los genes estructurales sino que también afectan a los genes reguladores. A las mutaciones se las considera la materia prima del cambio evolutivo porque proporcionan la variabilidad sobre las que otros factores evolutivos pueden actuar.

2- Cambios en la estructura y el número de cromosomas: Existen 4 clases de cambios drásticos en la estructura de los cromosomas. Las deleciones en las que se pierde un segmento de un cromosoma generan inviabilidad del embrión. Las duplicaciones de un segmento cromosómico, pueden provocar una diferenciación acentuada y también pueden estimular las mutaciones. Las inversiones y las translocaciones de segmentos cromosómicos, cuando se presentan al estado heterocigota pueden acentuar el ligamiento genético (tendencia de ciertos alelos a ser heredados juntos por estar ubicados en el mismo cromosoma) y así mantener agrupadas ciertas combinaciones génicas.

3- Recombinación génica: En los animales la reproducción selectiva se debe a ciertos comportamientos, lo que determina preferencias. En algunas especies, es un agente muy importante de selección natural. La reproducción sexual produce nuevas combinaciones genéticas de 3 maneras:

En cada generación todos los alelos se segregan en combinaciones nuevas. Otro factor que conserva la variabilidad en los eucariotas es la diploidía. En los organismos haploides todas las variaciones genéticas se expresan en el fenotipo y por lo tanto esas variantes se exponen todas al proceso de selección. En los organismos diploides estas variaciones pueden conservarse como recesivas en los heterocigotas. Los alelos recesivos, incluso los que pueden ser perjudiciales en estado homocigótico, no sólo pueden quedar “refugiados” en el estado heterocigótico, sino que pueden ser seleccionados para mantenerse en la población.

4- Flujo génico: Se refiere al desplazamiento de alelos hacia dentro y fuera de una población y puede producirse tanto por inmigración como por emigración de individuos en edades reproductoras. Estos desplazamientos pueden introducir alelos nuevos en una población o pueden cambiar las frecuencias génicas existentes.

5- Deriva génica: Se denomina al cambio de frecuencias génicas que se produce al azar. Estos cambios implican aumento o disminución y, a veces, hasta desaparición de alelos. Hay 2 situaciones en que se ha demostrado su importancia:

- el efecto fundador: en una población pequeña, genéticamente representativa o no, de una mayor de la cual se separó, algunos alelos raros pueden quedar representados en exceso, aumentando su frecuencia y otros pueden estar completamente ausentes. Si esta población aumenta de tamaño, continuará teniendo una composición genética distinta a la del grupo originario.

- Cuello de botella: se produce cuando una población queda reducida drásticamente por causas ajenas. Esta situación reduce violentamente la variabilidad haciendo desaparecer ciertos alelos o aumentando la frecuencia de otros en una población.

6- La selección natural: El éxito de ciertos genotipos en la reproducción, es debido a la interacción de los fenotipos de los individuos con el ambiente que incluye a los otros individuos, y puede conducir a cambios importantes en las frecuencias génicas de la población, es decir, promueve la evolución. Según la teoría sintética, la selección natural es el principal motor de la evolución. Durante mucho tiempo el fenotipo se convirtió en sinónimo de aspecto físico. En términos de la teoría evolutiva, debe incluir el concepto mucho más amplio, de todos los atributos físicos, anatómicos, fisiológicos y de comportamiento del organismo. Un fenotipo específico puede ser debido a diversas combinaciones genotípicas posibles. Pero no está determinado sólo por las interacciones de los distintos alelos que componen el genotipo. El fenotipo es también el resultado de las interacciones del genotipo con el ambiente, a lo largo de toda la vida del organismo. La selección sexual: “la lucha entre los miembros de un sexo, por lo común los machos, para la posesión del otro sexo”. Generalmente las características dimórficas del macho son útiles especialmente para comportamientos tales como, amenazar, exhibirse y otras artes de llamar la atención, y pueden ser poco adaptativas respecto a los factores que influyen en la supervivencia del individuo. Estos machos son poco eficaces para sobrevivir en la lucha por la existencia.

Retomando la definición de especie como un grupo de poblaciones naturales cuyos miembros pueden reproducirse entre sí pero no pueden reproducirse con los miembros de otras poblaciones, lo esencial de este concepto de especie es el aislamiento genético. Grupos que se separan, que se aíslan reproductivamente del resto de la población pueden alcanzar una diferenciación suficiente como para convertirse en una especie nueva. Este proceso se conoce como especiación. Los miembros de una especie comparten el mismo conjunto de genes (pool génico), distintos de otros grupos de genes de otras especies. La especiación es más frecuente en casos de aislamientos geográficos de una población: este proceso se denomina especiación alopátrida. Bajo ciertas circunstancias la especiación puede ocurrir sin aislamiento geográfico en cuyo caso se denomina especiación simpátrida.

- Especiación alopátrida: una especie con una serie de variedades geográficas puede en un momento dividirse en otras especies si surgen barreras geográficas que evitan el flujo génico. La población aislada puede comenzar a divergir genéticamente por la presión de más fuerzas selectivas. Con el tiempo y la presión selectiva suficiente. Una especiación puede volver a reunirse con el grupo originario o bien puede perecer.

- Especiación simpátrida: es la poliploidia, un aumento del número de cromosomas superior al número diploide típico (2n). Se producen gametas 2n y la unión de 2 gametas diploides producidas por el mismo individuo o por otro individuo de la misma especie, dará origen a un individuo tetraploide (4n). Un individuo híbrido es el descendiente de padres diferentes. Tanto los híbridos de los animales como los de las plantas suelen ser estériles porque los cromosomas, al no tener homólogos, no pueden aparearse en la meiosis. Es una estrategia muy importante entre las plantas, importancia económica en la agricultura (híbridos poliploides)

Este tipo de selección natural actuaría para aumentar las frecuencias de los fenotipos extremos de una población. ¿Cómo se mantiene el aislamiento genético? Cuando se ha producido la especiación, las especies que se han separado pueden convivir sin cruzarse a pesar de las semejanzas fenotípicas. Mecanismos de aislamiento reproductivo (MAR) de pre-apareamiento, sirven para identificar a los miembros de su misma especie. En muchas especies son las sustancias segregadas tanto por machos como por hembras las que sirven para atraerse y encontrarse. También son importantes las diferencias temporales como las distintas épocas de floración. Los períodos reproductores bien delimitados (celo). Mecanismos de aislamiento reproductivo de post-apareamiento. En raras ocasiones en que 2 especies distintas tratan de aparearse o bien lo consiguen, suelen aparecer incompatibilidades fisiológicas que mantienen el aislamiento genético:

- las diferencias en las formas de los genitales pueden impedir la inseminación

- los espermatozoides pueden no fusionarse con el óvulo, o bien el óvulo una vez fecundado puede no desarrollarse

En la década de 1960 surge el neutralismo. Ellos observaron que dentro de una misma población existía un elevado número de genes que presentaban polimorfismos, o dicho en otros términos, un gran número de distintos alelos. A su vez, encontraron que muchos de estos alelos, más allá de que fuesen distintos en su secuencia de nucleótidos, no siempre originaban distintas proteínas. Y lo que fue todavía más sorprendente, es que muchas de estas proteínas no diferían en su función a pesar de tener distintas estructuras primarias, como las denominadas isozimas. Para la teoría sintética, en términos evolutivos, sólo deberían conservarse aquellos alelos que produjesen un cambio en el fenotipo que resultase más adaptativo. Kimura sostiene que las leyes que rigen la evolución molecular no son las mismas que las que rigen la evolución fenotípica. Los neutralistas defienden la idea de que algunos mutantes pueden difundirse en una población sin tener ninguna ventaja selectiva. Si un mutante es selectivamente equivalente a los alelos preexistentes, su destino depende del azar.

En 1972. Uno de sus grandes aportes consiste en mostrar que los procesos evolutivos de gran envergadura no pueden explicarse por la simple acumulación de procesos a pequeña escala, sino que responden a otras leyes y patrones. Para poder estudiar la enorme biodiversidad existente, los biólogos se valen de una clasificación que consiste en agrupar a los organismos según características compartidas. Dicha clasificación, llamada taxonomía, es un sistema jerárquico, ciertos conjuntos se incluyen dentro de otros cada vez más abarcativos. El estudio del proceso evolutivo aporta información para construir una taxonomía lo más fiel posible a la historia de la vida en nuestro planeta.

La TSE parte de considerar que la variabilidad genética, en particular, es la materia prima del cambio evolutivo, y la selección natural es el motor de la evolución. La TSE considera el cambio evolutivo como un proceso de sustitución alélicas gradual dentro de una población. Predice necesariamente la existencia de formas intermedias entre cualquier tipo de organismo y sus ancestros. Es justamente el problema de encontrar las “formas intermedias” lo que se constituyó en el primer enigma a resolver para la TSE. Surge entonces el concepto de eslabón perdido. La falta de fósiles intermedios, eslabones perdidos entre especies, géneros, familias y grupos superiores de la jerarquía linneana, se toma como mero efecto de la imperfección del registro.

Esta incompatibilidad entre las predicciones de la teoría y las evidencias disponibles, dio origen a una de las principales críticas a la TSE: la crítica al gradualismo, que consiste en considerar que “todos los procesos evolutivos responden a la lenta y gradual acumulación de pequeños cambios genéticos a través de las generaciones”. Como contrapartida a esta concepción, surge desde el saltacionismo un planteo tan atractivo como sencillo: si un modelo, una explicación teórica, no coincide con la evidencia, “son los modelos y no la naturaleza, los que estarían equivocados”. Se plantea así la posibilidad de que el registro fósil represente lo que realmente ocurrió: los “huecos” en el registro fósil (la falta de formas intermedias) indicarían que la evolución no es un proceso gradual sino que ocurre “de a saltos”.

La crítica al reduccionismo. Las propiedades de cada nivel de organización no siempre se deducen de la simple suma de las propiedades de los niveles anteriores, sino que emergen nuevas. Las propiedades de una especie, o de una población, no podrán ser entendidas analizando sólo las de los genes o las de los individuos. Así es como los críticos de la TSE proponen aplicar el “concepto de jerarquía”, un mundo construido no como un continuo, liso y llano, que permita simples extrapolaciones desde el nivel más bajo al más elevado, sino como una serie de niveles ascendentes, en el que son los rasgos “emergentes” no implícitos en los niveles inferiores los que controlan eventos a niveles superiores. Hay 2 clases de procesos: los microevolutivos y los macroevolutivos. Recientemente se ha descubierto que el genoma eucariota posee una organización jerárquica: los productos de ciertos genes regulas la expresión de otros genes. A los primeros se los conoce como genes maestros o reguladores y a los segundos genes estructurales. Se sabe entonces que aún las mutaciones puntuales pueden tener efectos más o menos drásticos según ocurran a nivel de unos u otros. Los cambios en las zonas regulatorias de la expresión genética podrían determinar importantes modificaciones en el plan corporal de los organismos que, no siendo necesariamente adaptativos, generarían rápidamente una “novedad evolutiva”.

Si los programas genéticos fueran sacos de genes independientes, responsables cada uno de ellos de la construcción de una única parte del cuerpo, la evolución tendría que producirse pieza por pieza, y cualquier cambio importante tendría que producirse lenta y secuencialmente, al ir logrando miles de partes sus modificaciones independientes. Pero los programas genéticos son jerarquías con interruptores maestros, y los pequeños cambios genéticos que afectan casualmente a estos interruptores pueden tener un efecto de cascada en todo el cuerpo.

Azar versus selección natural. No sólo la deriva génica actuando sobre el reservorio genético de las poblaciones “compita” con la selección como causa del cambio, sino que podemos considerar 2 niveles más sobre los que actúa el azar: el surgimiento y extinción de especies individuales y las tendencias evolutivas a gran escala (diversificación y extinción en masa). La selección natural sólo puede preservar aquellas variantes con valor adaptativo inmediato, presente. La conservación de una determinada característica (sea morfológica, fisiológica o comportamental) que pudiera representar alguna ventaja posterior, solamente es posible a pesar de la selección natural; en este sentido esta preservación de caracteres adaptativamente neutros resulta ser un hecho absolutamente fortuito e impredecible.

La Teoría Saltacional postula que los procesos macroevolutivos son independientes de los microevolutivos, y no su consecuencia directa. Esto implica que mientras que para los procesos microevolutivos (a nivel de especies), reconoce como válidos los agentes de cambio y los ritmos propuestos por la TSE, para los macroevolutivos reconocen:

- macromutaciones y alteraciones de genes maestros como fuentes de variabilidad genética principales

- las especies y taxones de rango superior surgen esporádicamente y se mantienen relativamente estables durante largos períodos de tiempo (periodo de estasis)

El enunciado básico de esta propuesta podría resumirse de la siguiente manera: la aparición de nuevas especies se produce de modo abrupto y no a través de un proceso lento y gradual. Posteriormente estas especies se mantienen estables, prácticamente sin modificación, hasta extinguirse o dar lugar a especies nuevas. Según este modelo, por tanto, el proceso de cambio evolutivo va estrictamente ligado a la aparición de nuevas especies: la mayor cantidad de evolución se produciría durante los procesos de especiación, tanto uno como otro han dicho que la mayor parte de los saltos evolutivos serían un proceso con varias marchas, en el que fases rápidas de cambio ligadas a los procesos de especiación serían seguidas por largos períodos de estabilidad y equilibrio.