Dogma Central de la Biología Celular

Luego de haber postulado la teoría de la doble hélice junto a Watson, Crick, comenzó a preguntarse como podía ser el material genético el portador del gran código humano, y a su vez expresarlo sintetizando proteínas, ¿cómo lo hacía? ¿Cuál era la ruta? ¿De qué manera llegaba a fabricar proteínas si es que se encuentra dentro del núcleo y las proteínas son sintetizadas fuera del núcleo? Faltaba encontrar una pieza en todo este puzzle.

El mejor candidato, era el ARN, debido a que presentaba una estructura muy similar al ADN y era capaz de hacer su ruta para encontrarse fuera del núcleo y por lo tanto, realizar este trabajo. En otras palabras, la incógnita había sido encontrada.

Esto, fue denominado con El Dogma central de la biología molecular, lo cual en definitiva postulaba que el ADN generaba una copia similar a él la cual era transportada hacia el citoplasma y ahí daba origen a las proteínas.

EL Dogma Central de la Biología Molecular se refiere a los tres procesos llevados a cabo por los ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN: replicación, transcripción y traducción. Ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética. Son procesos vitales para la vida, y tienen gran importancia biológica.

Para comprender adecuadamente el funcionamiento de estos mecanismos, es necesario hacer una breve introducción sobre el ARN

El ARN es un tipo de ácido nucleico cuya pentosa, en lugar ser la desoxirribosa, es una ribosa. El ARN tampoco forma una doble hélice, sino que es una cadena de nucleótidos. Por último, es importante señalar que el ARN no tiene la base nitrogenada de la Timina (T), sino que tiene en su lugar Uracilo (U). Este, a su vez, se complementa con la Adenina en los procesos de transcripción y traducción.

Existen tres tipos de ARN:

• ARN-m (mensajero). Contiene una secuencia complementaria a una de las dos cadenas de ADN.

• ARN-t (transferente). Relaciona secuencias de tres bases nitrogenadas (codones) con aminoácidos.

• ARN-r (ribosómico). Forma parte de los ribosomas.

 REPLICACIÓN

Para formar dos células hijas es preciso que la célula madre se duplique previamente, para lo cual es necesario duplicar o replicar la información contenida en el núcleo, es decir, al ADN.

Para ello la doble cadena de ADN se desdobla en uno de los extremos por rotura de los enlaces de puentes de hidrógeno (que unen las bases complementarias).

Cada una de las cadenas separadas originará una cadena complementaria y el resultado serán dos cadenas iguales entre sí e iguales a la original.

Tiene lugar en el periodo S de la interfase. 

La replicación del ADN. Vídeo disponible: http://youtu.be/T-g-G0-kehU. Publicado: Mayo de 2009.

TRANSCRIPCIÓN

Se puede definir la transcripción como el proceso de síntesis de ARN a partir de ADN. Cuando el ADN se abre solo por una de las cadenas se va a transcribir. Solo se formará ARN del gen que se quiere transcribir.

Separadas las dos cadenas de ADN, una molécula, llamada ARN  polimerasa, comienza a transcribirla hebra de ADN creando ARN complementario. La cadena se alargará siempre en dirección 5'-3' y terminará cuando llegue a una secuencia terminatoria. El ARN formado será el ARN-m.

El ARN sale entonces al núcleo para que tenga lugar la traducción.

Transcripción del ADN. Vídeo disponible: http://youtu.be/qOA25GbUkdA. Publicado: Marzo de 2008.

TRADUCCIÓN

El ARN-m producido en el núcleo llega a los ribosomas llevando el mensaje que indica el orden en que deben colocarse los aminoácidos en una determinada proteína. El proceso por el cual se crean nuevas proteínas se denomina síntesis de proteínas y tiene lugar en los ribosomas de la célula.

En la traducción intervienen los tres tipos de ARN:

·         El ARN-m saca el mensaje del núcleo.

·         El ARN-t actúa en los ribosomas incorporando los aminoácidos correspondientes.

·         El ARN-r forma parte del ribosoma.

El ARN-m indica el orden de los aminoácidos. La secuencia de ADR se codifica de la siguiente manera: tres bases nitrogenadas forman un codón. El ARN-t se une al ARN-m gracias a su zona anticodón. Este ARN-t lleva asociado un aminoácido, así cada codón sintetiza un aminoácido distinto. La siguiente tabla recoge los aminoácidos correspondientes a cada codón.

Traducción (de ADN A proteínas). Vídeo disponible: http://youtu.be/stb1KGHivJo. Publicado: Julio de 2011.

Referencia: Martínez. E. (s/f). DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR. [Documento en Línea] Disponible: http://cmcbemartineznderqui.jimdo.com/dogma-central-de-la-biolog%C3%ADa-molecular/. [Consulta: 2014, Agosto 28].

NÚCLEO CELULAR  

Es una estructura constituida por una doble membrana, denominada envoltura nuclear que rodea al ADN de la célula separándolo del citoplasma. El medio interno se denomina nucleoplasma y en él están sumergidas, más o menos condensadas, las fibras de ADN que se llaman cromatina y corpúsculos formados por ARN conocidos como nucléolos.

ENVOLTURA NUCLEAR

La envoltura nuclear presenta una estructura basada en una doble membrana. Entre la membrana externa e interna de esa envoltura existe un espacio intermembranal, llamado espacio perinuclear. Bajo la membrana interna existe una capa de proteínas fibrilares llamada lámina fibrosa. El origen de la membrana nuclear es el retículo endoplasmático. Presenta una serie de poros que comunican ambos sistemas. Estos poros tienen una compleja estructura basada en la organización de una serie de proteínas que forman el complejo del poro nuclear.

Las funciones de esta envoltura son, separar al citoplasma del nucleoplasma, y mantener separados los procesos metabólicos de ambos medios. Además regula el intercambio de sustancias a través de los poros y la lámina nuclear permite la unión con las fibras de ADN para formar los cromosomas.

NUCLEOPLASMA Y NUCLÉOLO. 

El nucleoplasma es el medio interno del núcleo. Es una estructura formada por una dispersión coloidal en forma de gel compuesta por proteínas relacionadas con la síntesis y empaquetamiento de los ácidos nucleicos. También posee nucleótidos, ARN, ADN, agua e iones. Existe en su seno una red de proteínas fibrilares similar a las del citoplasma. Su función es ser el seno en el que se produce la síntesis de ARN diferentes y la síntesis del ADN nuclear. Además, con su red de proteínas, evita la formación de nudos en la cromatina.

El nucléolo es un compartimento nuclear formado por cromatina y visible al microscopio óptico. Las células de mamíferos contienen desde 1 a 5 nucléolos. Sus dimensiones varían dependiendo de la actividad de la célula y puede llegar a ser muy grande, del orden de micrómetros de diámetro. Normalmente las células que están realizando una gran síntesis proteica poseen nucléolos grandes. Durante la mitosis desaparece, permitiendo a la cromatina que lo forma reorganizarse para constituir los cromosomas.

En el nucléolo se dan procesos relacionados con la generación de los ribosomas: síntesis y maduración del ARN ribosómico (ARNr) por la polimerasa I, y el posterior procesamiento y ensamblaje de las subunidades ribosómicas. Morfológicamente el nucléolo contiene distintas regiones: el centro fibrilar, donde se encuentran los genes para el ARNr, el componente fibrilar denso que rodea al centro fibrilar, donde se produce la transcripción activa de los genes ARNr, y el componente granular donde se ensamblan las subunidades ribosómicas.

Diviértete jugando en esta interesante actividad, haciendo click en el siguiente enlace:

http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bachillerato/La_celula/activ17.htm

ÁCIDOS NUCLEICOS

Son biopolímeros, de elevado peso molecular, formados por otras subunidades estructurales  monómeros, denominados nucleótidos.

El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Meischer (1869), el cual trabajando con leucocitos y espermatozoides de salmón, obtuvo una sustancia rica en carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y un porcentaje elevado de fósforo. A esta sustancia se le llamó en un principio nucleina, por encontrarse en el núcleo. Años más tarde, se fragmentó esta nucleina, y se separó un componente proteico y un grupo prostético, este último, por ser ácido, se le llamó ácido nucleico. En los años 30, Kossel comprobó que tenían una estructura bastante compleja. En 1953, James Watson y Francis Crick, descubrieron la estructura tridimensional de uno de estos ácidos, concretamente del ácido desoxirribonucleico (ADN).

Ácidos nucleicos. [Documento en Línea]. Disponible: http://www.um.es/molecula/anucl.htm  [Consulta: 2014, Agosto 30].

REPLICA SEMI CONSERVATIVA DE ADN

Una vez que se comprobó que el ADN era el material hereditario y se descifró su estructura, lo que quedaba era determinar como el ADN copiaba su información y como la misma se expresaba en el fenotipo. Matthew Meselson y Franklin W. Stahl diseñaron el experimento para determinar el método de la replicación del ADN. Tres modelos de replicación eran plausibles.

1. Replicación conservativa durante la cual se produciría un ADN completamente nuevo durante la replicación.

2. En la replicación semiconservativa se originan dos moléculas de ADN, cada una de ellas compuesta de una hebra del ADN original y de una hebra complementaria nueva. En otras palabras el ADN se forma de una hebra vieja y otra nueva. Es decir que las hebras existentes sirven de molde complementario a las nuevas.

3. La replicación dispersiva implicaría la ruptura de las hebras de origen durante la replicación que, de alguna manera se reordenarían en una molécula con una mezcla de fragmentos nuevos y viejos en cada hebra de ADN.

Experimento de Meselson-Stahl

El experimento de Meselson-Stahl consiste en cultivar la bacteria Escherichia coli en un medio que contenga nitrógeno pesado (¹⁵Nitrógeno que es más pesado que el isótopo más común: el ¹⁴Nitrógeno ). La primera generación de bacterias se hizo crecer en un medio que únicamente contenía ¹⁵Nitrógeno como fuente de N. La bacteria se transfirió luego a un medio con ¹⁴N. Watson y Crick habían pronosticado que la replicación del ADN era semiconservativa, de ser así el ADN extraído de las bacterias luego de cultivarlas por una generación en ¹⁴N tendría un peso intermedio entre el ADN extraído del medio con ¹⁵N y el del extraído de medio con ¹⁴N y así fue.

Los detalles del experimento que incluye un proceso de ultracentrifugación en cloruro de Cesio (CeCl₂) puede encontrarse en el Curtis.

La replicación del ADN, que ocurre una sola vez en cada generación celular, necesita de muchos "ladrillos", enzimas, y una gran cantidad de energía en forma de ATP (recuerde que luego de la fase S del ciclo celular las células pasan a una fase G a fin de, entre otras cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la división celular). La replicación del ADN en el ser humano a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo, en procariotas a 500/segundo. Los nucleótidos tienen que se armados y estar disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para unirlos.

La iniciación de la replicación siempre acontece en un cierto grupo de nucleótidos, el origen de la replicación, requiere entre otras de las enzimas helicasas para romper los puentes hidrógeno y las topoisomerasas para aliviar la tensión y de las proteínas de unión a cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas.

Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como "burbuja de replicación" en ella se encuentran las "horquillas de replicación" . Por acción de la la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas".

Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede solo  en la dirección 5' to 3' en ambas cadenas, numerosos experimentos mostraron que, una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki . La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada.

Para que trabaje la ADN polimerasa es necesario la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de ARN conocidas como cebadores, a posteriori, cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y, una ADN ligasa los une a la cadena en crecimiento.

¡Checa este interesante video!

Replicacion del DNA. Vídeo disponible: http://www.bionova.org.es/animbio/ani Publicado: Septiembre de 2013.