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BACHILLERATO2

INCLUYE PROYECTO

DIGITAL

LICENC 12 MESEIAS

Juan Eduardo Panadero Cuartero M.ª del Rosario Fuente Flórez Blanca Razquín Peralta

BACHILLERATO2

Juan Eduardo Panadero Cuartero M.ª del Rosario Fuente Flórez Blanca Razquín Peralta

Proyecto digital

BIOLOGÍA

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OFERTA DIGITAL

ÍNDICE 1 Bioelementos y biomoléculas: agua y sales minerales 1 Características de los seres vivos 2 Unidad en la composición química

de los seres vivos 3 El mundo orgánico: la idoneidad del carbono 4 El agua: la vida se apoya en su comportamiento anormal 5 Biomoléculas inorgánicas 6 Ósmosis y presión osmótica 7 Ionización del agua y escala de pH

2 Hidratos de carbono

o glúcidos 2 Monosacáridos 3 Oligosacáridos: disacáridos 4 Polisacáridos 5 Glucoconjugados

36 37 46 48 52

3 Lípidos

1 Hidratos de carbono, carbohidratos

1 Lípidos

17 20 26 27 28

Ácidos grasos 3 Triacilglicéridos o grasas 4 Ceras 5 Lípidos complejos o de membrana 6 Terpenos o isoprenoides 7 Esteroides

62 63 66 68 68 72 73

4 Proteínas. Enzimas y vitaminas

1 Proteínas 2 Niveles de organización estructural

de las proteínas 3 Propiedades de las proteínas 4 Clasificación de las proteínas 5 Funciones biológicas de las proteínas 6 Enzimas: biocatalizadores 4

82 84 92 94 95 97

5 Ácidos nucleicos 1 Ácidos nucleicos

111

Ácido desoxirribonucleico (ADN) 3 Otros niveles de complejidad del ADN 4 Ácido ribonucleico (ARN) 5 Funciones biológicas de los ácidos nucleicos

112 114 119 122 125

6 Organización celular

131

Funciones vitales de la célula 3 Técnicas instrumentales: métodos de estudio de las células

142

1 Modelos de organización celular 2

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 1 Biomembranas

132 141

153

Membrana plasmática 3 Matriz extracelular 4 Citoplasma 5 Citoesqueleto

154 157 163 164 167

8 Sistemas internos de membrana

177

1 Sistemas internos de membrana

178 2 Estructuras específicas de las células vegetales 186

9 El metabolismo celular I: catabolismo 1 El metabolismo celular

Catabolismo de los glúcidos 3 Catabolismo de los lípidos 4 Catabolismo de las proteínas 5 Metabolismo energético y dieta equilibrada 2

10 El metabolismo celular II: anabolismo 1 Procesos anabólicos

Anabolismo autótrofo: la fotosíntesis 3 Anabolismo autótrofo bacteriano 4 Regulación del metabolismo 2

197 198 202 212 214 216

227 228 232 240 242

11 El núcleo y la división celular: mitosis y meiosis 251 1 El ciclo celular

252 2 El núcleo interfásico 255 3 El núcleo mitótico: cromosomas 258 4 División celular: mitosis y citocinesis 260 5 Meiosis 264

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 1 Genética molecular 2 Replicación de la doble hélice:

biosíntesis del ADN 3 Replicación del ADN en bacterias 4 Replicación del ADN en células eucariotas 5 Del gen a la proteína 6 La expresión de los genes 7 La transcripción en eucariotas: síntesis del ARNm el núcleo 8 Trascripción y retrotranscripción en virus 9 El genoma

13 Genética molecular II: traducción del ARNm (síntesis de proteínas) 1 Traducción: descodificación del ARNm

275 276 278 279 284 286 288 290 295 297

305 306 308 311

14 Mutaciones: cáncer, evolución y envejecimiento 331 1 Las mutaciones

Agentes mutágenos 3 Sistemas de reparación del ADN 4 Mutaciones con efectos perjudiciales 2

Prevención del cáncer 7 Las mutaciones y el envejecimiento 8 Mutaciones con efecto beneficioso: evolución 9 El resultado de la evolución: la biodiversidad 6

340 345 346 347 352

15 Biotecnología 359 1 ¿Qué es la biotecnología?

360

2 Biotecnología tradicional: microbiología

La función de intérpretes de los ARNt 3 Etapas de la traducción del ARNm eucariotas 4 Plegamiento postraduccional de las proteínas: chaperonas moleculares 315 5 Exportación y destino de las proteínas 316 6 Regulación de la expresión génica en eucariotas 317 7 El epigenoma humano 322 8 Regulación de la expresión génica en bacterias 323 2

5 Las mutaciones y el cáncer

industrial 361 3 Técnicas de la biotecnología moderna: ingeniería genética 366 4 Organismos genéticamente modificados (OGM) 370 5 Genómica 375 6 Proteómica 378 7 Células madre o troncales 380 8 Hacia una nueva medicina 383 9 Bioética 384

16 El sistema inmunitario: la inmunidad

391

1 Infección y enfermedad infecciosa

392 2 El sistema inmunitario 393 3 Respuesta inmunitaria innata 394 4 Respuesta inmunitaria adaptativa 399 5 Anticuerpos 407 6 Anomalías del sistema inmunitario 413 7 Inmunología de los trasplantes 415

Y ESTO NO ES TODO...

Averígualo!

332 334 338 339 ÍNDICE

ESTRUCTURA DEL LIBRO LA UNIDAD PRESENTACIÓN ■ Fotografía y texto motivador. Fomenta el interés por reflexionar sobre los saberes que se trabajan en la unidad. ■ Índice de saberes. Enumeración de los contenidos que se desarrollan en la unidad.

DESARROLLO DE CONTENIDOS La explicación de saberes, principios y teorías se complementa con: ilustración, esquemas y fotografías explicativas que acompañan y complementan los textos de la unidad.

Rutinas de competencias Son secuencias de procedimientos rutinarios que complementan los saberes y se repiten a lo largo de todas las unidades para trabajar las distintas competencias: ■ Observa. Se establecen relaciones, diferencias y analogías entre los distintos saberes. Contribuye al desarrollo de las competencias: STEM (competencia matemática y competencia en ciencia y tecnología) y CPSAA (competencia personal, social y de aprender a aprender). ■ ¿Lo sabías? Proporciona información complementaria o un dato sorprendente o peculiar que fomenta la formulación de preguntas. ■ Razona. Los saberes y procedimientos ya trabajados se exponen de nuevo en contextos diferentes. Se desarrolla la competencia STEM (competencia matemática y competencia en ciencia y tecnología).

■ Historia de la ciencia. Muestra cómo influyen las ideologías de la sociedad en el desarrollo de la ciencia. Pretende enfatizar la igualdad de género y la no discriminación entre hombres y mujeres, y destacar el papel relevante que han desempeñado y desempeñan las mujeres en la ciencia que, con frecuencia, ha sido injustamente ignorado e infravalorado por gran parte de la comunidad científica. Contribuye al desarrollo de las competencias: CCL (competencia en comunicación lingüística), CPSAA (competencia personal, social y de aprender a aprender), CC (competencia ciudadana) y CCEC (competencia en conciencia y expresión cultural). ■ Evidencia experimental. Son ejemplificaciones que destacan el carácter predictivo de la ciencia. Incluyen la fundamentación científica y tecnológica para diseñar y contrastar los experimentos y procedimientos. Se fomentan las competencias: STEM (competencia matemática y competencia en ciencia y tecnología), CD (competencia digital), CPSAA (competencia personal, social y de aprender a aprender) y CE (competencia emprendedora). ■ Síntesis. Resume los aspectos más importantes de la unidad.

Actividades Son ejercicios de aplicación directa de los saberes para comprobar el grado de adquisición de conocimiento y desarrollar estrategias para resolver problemas.

CIERRE Laboratorio y procedimientos Se propone un problema cuya solución requiere el diseño de experimentos sencillos, orientados a la utilización de los materiales del laboratorio de Biología, y la aplicación de los procedimientos del método científico que fomentan el trabajo colaborativo y, junto con las actividades Evidencia científica, Descubre y Webquest, contribuyen al enfoque STEM en educación.

Actividades finales Es una página de ejercicios de consolidación de los saberes, con dos niveles de dificultad (verde y rojo). ESTRUCTURA DEL LIBRO

Membrana plasmática, citosol, citoesqueleto y matriz extracelular.

Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 1 Biomembranas 2 Membrana plasmática 3 Matriz extracelular

4 Citoplasma 5 Citoesqueleto

«El hermoso cuadro que pone de relieve la inmunofluorescencia nos da solo una instantánea de lo que encierra en realidad, un mundo en cambio ince sante. Las células cambian continuamente de forma; sus contenidos se agi tan y se mezclan; se generan corrientes citoplasmáticas […], las membranas se doblan y se distorsionan. Se mueven en todas direcciones, trepan, se arrastran, nadan, se contraen, se estiran […] agitan velos ondulantes». Christian de Duve: La célula viva. Prensa Científica, S. A.

1 BIOMEMBRANAS HISTORIA DE LA

CIENCIA

Tras la pista de la membrana En 1935, Hugh Dawson y James Danielli propusieron un modelo de membrana en el que la bicapa lipídica estaba recubierta de proteínas que se extendían desplegadas a ambos lados y, además, incluyeron en su modelo la existencia de poros para explicar el paso de sustancias. A partir de los años cincuenta fue posible estudiar las membranas celulares (tanto la membrana plasmática como las membranas internas) con el microscopio electrónico. De esos primeros estudios surgió el concepto de unidad de membrana, que fue propuesto por James Robertson en 1959. Por otra parte, en los años sesenta se conocieron nuevos datos sobre los componentes de las membranas que hicieron que el modelo de Dawson y Danielli fuera desechado.

Las biomembranas son láminas fluidas que separan el interior de la célula de su entorno y definen los diferentes orgánulos del interior de las células eucariotas: retículo endoplasmático, aparato de Golgi, mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, etc. Se comportan como barreras selectivamente permeables que permiten mantener unas condiciones fisicoquímicas características en el interior de los compartimentos que limitan. Las biomembranas no son visibles con el microscopio óptico. Con el microscopio electrónico de transmisión se ven como bicapas de 6 a 10 nm de grosor, con dos bandas electrodensas separadas por una banda electroclara.

1.1 ESTRUCTURA DE LAS BIOMEMBRANAS El actual modelo de membrana, denominado modelo de mosaico fluido, fue propuesto en 1972 por Jonathan Singer y Garth Nicolson, basándose en estudios de microscopía electrónica. Según este modelo, la estructura de todas las biomembranas consiste en una bicapa lipídica, que constituye el componente estructural básico, y un conjunto de proteínas distribuidas a un lado u otro de la bicapa o inmersas en ella, que son las responsables de las actividades específicas de cada biomembrana. La proporción de proteínas y lípidos varía de unas biomembranas a otras. La membrana plasmática presenta un 50 % de proteínas y un 50 % de lípidos. Sin embargo, en la membrana mitocondrial interna las proteínas representan el 76 %, mientras que en la membrana que rodea a los axones nerviosos (mielina) constituyen solo el 18 %.

En 1966, Andrew Benson, basándose en las nuevas evidencias disponibles, propuso otro modelo en el que las proteínas están embebidas en los lípidos, que a su vez se disponen formando esferas o bicapas, pudiendo alternar entre ambas formas. Finalmente, en 1972, Seymour Singer y Garth Nicolson, basándose en nuevos datos, propusieron el modelo del mosaico fluido actualmente admitido. Proteínas de membrana

Glicerofosfolípido

Esfingoglucolípidos

Glucocálix

1 Bicapa lipídica

Colesterol

Membranas plasmáticas de dos células (1 y 2). Micrografía electrónica de transmisión (MET).

154

Modelo de membrana de mosaico fluido. Representación tridimensional de una biomembrana en la que puede observarse su organización básica (A). Las membranas celulares permiten que las células creen barreras que confinan determinadas moléculas en compartimentos específicos (B).

1.2 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS BICAPAS LIPÍDICAS

Las bicapas lipídicas de las biomembranas están constituidas por los siguientes tipos de lípidos: fosfolípidos, que son el componente mayoritario, glucolípidos y colesterol. Las clases y la proporción de cada uno de ellos varían de unas bio membranas a otras. Todos estos componentes son moléculas anfipáticas, es decir, tienen un extremo hidrófilo (o polar) y un extremo hidrófobo (no polar) y confieren a las membranas celulares las siguientes propiedades: Autoensamblaje. En medios acuosos, la formación de bicapas es espontánea, ya que de este modo las porciones hidrófobas de las moléculas quedan en el interior y las hidrófilas hacia el exterior. A

Estructura de la bicapa lipídica. Las moléculas de colesterol (1) se intercalan en la bicapa, con sus grupos hidroxilo polares próximos a los grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos (2), y mantienen sus colas hidrofóbicas fijas y ordenadas en las zonas próximas a las cabezas polares, lo que hace disminuir la fluidez en la bicapa lipídica.

Representación tridimensional de las biomembranas. Bicapa lipídica (A). Vesícula lipídica que encierra un medio acuoso (B).

Difusión lateral

Autosellado. Igualmente, estas bicapas tienden a cerrarse sobre sí mismas, formando vesículas esféricas sin bordes libres en los cuales los extremos hidrófilos podrían estar en contacto con el agua. Fluidez. Las bicapas lipídicas se comportan como fluidos bidimensionales. Por eso, dentro de cada monocapa las moléculas lipídicas individuales pueden rotar y moverse lateralmente. Sin embargo, el paso de un fosfolípido de una monocapa a la otra (movimiento flip-flop) no ocurre casi nunca, lo que permite que, a pesar de su fluidez, la composición lipídica de cada monocapa sea distinta (asimetría lipídica). También difiere la composición de las distintas membranas, incluso de diferentes regiones de una misma membrana, lo que origina heterogeneidad lateral: se crean asociaciones estables de ciertas proteínas con determinados glicerofosfolípidos, esfingolípidos y colesterol y originan las llamadas balsas lipídicas, con menor fluidez que su entorno.

Flip-flop

Flexión

Rotación

Movilidad de los lípidos en las biomembranas.

El colesterol abunda en la membrana plasmática de las células animales, y está presente, en menor proporción, en las membranas de otros orgánulos. Su función consiste en aumentar su rigidez y resistencia, lo cual hace disminuir la fluidez de la bicapa lipídica de las membranas celulares, que es esencial para su funcionamiento. Por ejemplo, cuando la temperatura desciende, las células pueden modificar la composición lipídica de sus membranas aumentando la síntesis de ácidos grasos insaturados y de cadenas más cortas que favorecen la fluidez a bajas temperaturas. Ácidos grasos saturados y de cadena larga. 1

Ácidos grasos insaturados y de cadena corta. 2

¿Cuál de los siguientes or ganismos tendrá una ma yor proporción de ácidos grasos insaturados en sus membranas? a) Una bacteria de manan tiales termales.

Fluidez de la bicapa lipídica. Depende de la composición de los fosfolípidos, es decir, de la longitud de la cadena y del grado de insaturación de los ácidos grasos. Las bicapas con ácidos grasos saturados y de cadena larga son menos fluidas (1). Las bicapas con ácidos grasos de cadena corta y dobles enlaces son más fluidas, porque se dificulta el empaquetamiento de las cadenas (2).

b) Un pez antártico. c) Un ser humano. d) Un cactus.

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 155

Membrana plasmática apical Proteína A

Proteína B

Membrana plasmática basolateral

1.3 LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA Las proteínas de las membranas celulares realizan funciones específicas: actúan como receptoras, se encargan del transporte selectivo de solutos, de las reacciones enzimáticas, del transporte de electrones, de la fosforilación oxidativa, etc. Por lo tanto, confieren a cada biomembrana sus propiedades funcionales características. Según el tipo de asociación que mantengan con los lípidos de la bicapa, las proteínas de membrana se clasifican en proteínas integrales y proteínas periféricas.

Unión ocluyente Matriz extracelular

Dominios de la membrana plasmática de las células del epitelio intestinal. La proteína A está restringida a la región apical y la proteína B a la región basolateral, por la presencia de un tipo especial de unión llamada unión ocluyente.

Proteínas integrales. Están unidas fuertemente a los lípidos de la membrana: unas atraviesan la bicapa lipídica una vez (de paso único) o varias veces (multipaso) y se denominan proteínas transmembrana, y otras están fuera de la bicapa lipídica, pero unidas covalentemente a uno de sus lípidos. Proteínas periféricas. Se sitúan a un lado y a otro de la bicapa lipídica y están unidas débilmente por uniones no covalentes a las cabezas polares de los lípidos o a otras proteínas integrales. Muchas de las proteínas de membrana son glucoproteínas, es decir, presentan oligosacáridos unidos. Estos azúcares se incorporan a las proteínas en la luz del retículo endoplasmático y del aparato de Golgi, por lo que las cadenas de oligosacáridos se localizan siempre en la cara no citosólica de las membranas. 5

7 NH2

Bicapa lipídica

Citosol 3 2

2 1

COOH 6

Tipos de proteínas de membrana. Proteína transmembrana de paso único (1). Proteínas transmembrana multipaso (2) y (3). Proteínas integrales unidas covalentemente a lípidos (4) y (5). Proteínas periféricas (6) y (7). 4

1.4 LOS DOMINIOS DE MEMBRANA

Las biomembranas son estructuras fluidas; sin embargo, las células disponen de mecanismos que les permiten restringir esos movimientos. De este modo, aparecen los dominios de membrana, que son regiones de las biomembranas especializadas en funciones concretas: captación y liberación de nutrientes, recepción y transmisión de estímulos, etc.

Bicapa lipídica

Balsas lipídicas (A). Son microdominios localizados en algunas regiones de las biomembranas, donde se acumulan determinados glicerofosfolípidos, (1) esfingolípidos (2) y colesterol (3), asociados a ciertas proteínas (generalmente receptores) (4), responsables de la señalización y el tráfico celular a través de las membranas.

156

En las células epiteliales que bordean el intestino existen tres clases de dominios: el dominio apical de la membrana, que se encarga de la captación de nutrientes; y los dominios lateral y basal, que participan en la liberación de esos nutrientes al medio interno. Esta especialización es esencial para el buen funcionamiento de las células. Algunos de estos dominios están relacionados con las balsas lipídicas.

2 ¿En qué se diferencian las proteínas de membrana integrales de las proteí nas periféricas? 3 ¿Qué son los dominios de membrana? Indica los dominios presentes en una célula del epitelio intestinal y las funciones que desempeñan.

2 MEMBRANA PLASMÁTICA Glucocálix

La membrana plasmática es la biomembrana que limita y relaciona el interior de la célula con el exterior. Su estructura es similar a la de las otras biomembranas: una bicapa lipídica con proteínas integrales y periféricas dispuestas según el modelo de mosaico fluido. En su cara externa presenta una cubierta fibrosa, que no aparece en las otras biomembranas, denominado glucocálix y formado por oligosacáridos unidos a glucolípidos y glucoproteínas de la membrana plasmática. El glucocálix protege la superficie celular de daños físicos y químicos, actúa como filtro de las sustancias que llegan a la célula y participa en los procesos de comunicación, reconocimiento y adhesión celular. Además de señalar los límites celulares, la membrana plasmática controla la entrada y salida de materiales (permeabilidad selectiva), participa en la constitución de uniones celulares, que permiten la formación de tejidos y órganos, y es un elemento fundamental en la comunicación celular, recibiendo señales externas y transmitiendo la información al interior de la célula.

2.1 PERMEABILIDAD SELECTIVA La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática permite a la célula controlar y mantener su composición interna. Dada la naturaleza lipídica de la membrana plasmática, su impermeabilidad no puede ser absoluta, ya que a través de ella se realizan todos los intercambios de materia y energía con el ambiente externo. Por esta razón, se han desarrollado sistemas de transporte específicos, en los que participan activamente las proteínas de membrana, que regulan el tráfico de todas las sustancias que la célula necesita: permiten el paso de sustancias hidrófilas, ionizadas o de gran tamaño. Los sistemas de transporte utilizados son diferentes según se trate de moléculas pequeñas o de macromoléculas y partículas. ●●●

Transporte de moléculas pequeñas

El transporte a través de la membrana de moléculas pequeñas puede ser de dos tipos: pasivo, cuando no precisa consumo de energía, y activo, cuando requiere una fuente de energía.

Transporte pasivo o difusión En este tipo de transporte las moléculas se mueven espontáneamente desde el lado de la membrana donde están más concentradas hasta el lado donde su con centración es menor, es decir, a favor de su gradiente de concentración. Existen dos clases principales de transporte pasivo: Difusión simple. Se produce a través de la bicapa lipídica. De esta manera atraviesan la membrana plasmática las moléculas no polares (liposolubles): los gases, como el O2, el CO2, y algunas hormonas, como las esteroideas y las tiroideas. También pueden pasar por difusión simple pequeñas moléculas polares sin carga, como el agua, el etanol, el glicerol o la urea. Difusión facilitada. Se realiza mediante las proteínas transportadoras o permeasas y las proteínas canal. Así atraviesan la membrana las moléculas polares grandes y los iones. 4 ¿Qué tipos de moléculas pueden atravesar la membrana plasmática a tra vés de la bicapa lipídica mediante difusión simple?

Oligosacárido Glucoproteínas de membrana

Citosol Glucolípidos Bicapa lipídica

Glucocálix o cubierta celular.

HISTORIA DE LA

CIENCIA

Linda B. Buck Científica estadounidense (1947), graduada en Psicología y Microbiología y doctorada en Inmunología. Fue galardonada con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2004, junto a Richard Axel, por sus investigaciones pioneras en el campo de la señalización sensorial. Identificaron en las ratas cerca de 1000 genes implicados en la formación de los receptores olfativos, capaces de percibir y memorizar alrededor de 10 000 sustancias odoríferas. Averiguaron cómo las señales olorosas, captadas por los receptores específicos, situados en las membranas plasmáticas de las células receptoras de la mucosa olfatoria, son capaces de generar las distintas percepciones olfativas. Moléculas hidrófobas y polares pequeñas no cargadas H2O

Glicerol

Iones y moléculas polares grandes H+

N2 Glucosa Etanol Aminoácidos

Ca2+

Na+ Cl–

Difusión simple.

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 157

Proteínas transportadoras o permeasas. Son proteínas transmembrana que se unen específicamente a la molécula que transportan. Esta unión provoca un cambio de conformación en la proteína que permite que la molécula transportada quede libre al otro lado de la membrana, tras lo cual la proteína transportadora recupera su conformación inicial. Este transporte es específico, ya que cada molécula transportada (azúcares, aminoácidos, metabolitos celulares, etc.) se une exclusivamente a su correspondiente transportador (en este sentido, las proteí nas transportadoras se comportan como las enzimas, que se unen específicamente a sus sustratos).

A Proteína transportadora

Cambio conformacional

Canal cerrado

Canal abierto Poro

Proteínas canal. Son proteínas transmembrana que forman poros, como las acuaporinas, por los que se transporta agua, principalmente, y los canales iónicos, por donde pasan iones (Na+, Ca2+, Cl–, etc.), que están cerrados hasta que reciben las señales adecuadas. Estas pueden ser químicas (hormonas, neurotransmisores, etc.) en los canales iónicos dependientes de ligando, o eléctricas (cambios en el potencial de membrana) en los canales iónicos dependientes de voltaje.

Señal extracelular

Compuerta

Difusión facilitada. Proteínas transportadoras (A) y proteínas canal (B).

Difusión simple

Moléculas hidrófobas O2, N2 …

Difusión facilitada Molécula transportada

Molécula transportada

Moléculas polares pequeñas H2O, CO2 …

Proteínas transportadoras

Citosol

Proteínas canal

Difusión simple y facilitada.

Transporte activo Punto de unión al potasio

En este tipo de transporte las moléculas atraviesan la membrana plasmática en contra de su gradiente de concentración.

Gradiente de concentración de potasio Gradiente de concentración de sodio

Un ejemplo de transporte activo es la bomba de Na+/ K+. En este modelo de transporte activo la energía derivada de la hidrólisis del ATP se utiliza para expulsar de la célula tres iones Na+ e introducir dos iones K+, ambos en contra de su gradiente de concentración. De este modo, contribuye a controlar la presión osmótica intracelular y el potencial de membrana.

Citosol

Punto de unión al sodio

Este proceso de bombeo se realiza mediante proteínas transportadoras denominadas bombas y se consume energía que, directa o indirectamente, se obtiene del ATP.

Bomba de Na+/K+.

Síntesis

MECANISMOS DE TRANSPORTE DE LAS MOLÉCULAS PEQUEÑAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA Propiedades

158

Difusión simple

Difusión facilitada

Transporte activo

Requiere proteínas de transporte.

Sí

Tiene lugar en contra del gradiente de concentración.

Sí

Está acoplado a la hidrólisis de ATP.

Sí

Ejemplos de moléculas transportadas.

O2, CO2, hormonas esteroides, muchos fármacos.

Glucosa, aminoácidos, iones.

Iones.

●●●

Transporte de macromoléculas y de partículas

El transporte de macromoléculas y de partículas a través de la membrana plas mática incluye tanto la incorporación de sustancias a las células (endocitosis) como su secreción al exterior (exocitosis).

Ambos procesos tienen lugar mediante la formación de vesículas, que son pequeños sacos membranosos, que se mueven de un sitio a otro del citoplasma y ponen en comunicación a unos sistemas de membrana con otros.

Endocitosis Las sustancias introducidas en la célula por endocitosis son englobadas en invaginaciones de la membrana plasmática que se cierran y forman vesículas intracelulares que contienen el material ingerido. Existen varios tipos de endocitosis: la fagocitosis y la pinocitosis o endocitosis dependiente de clatrina. Fagocitosis. En este caso, el material ingerido son partículas grandes como bacterias, células intactas o restos celulares. Es un proceso que utilizan microorganismos, como las amebas, para su nutrición, y también los fagocitos del sistema inmunitario de los organismos pluricelulares para la eliminación de células viejas o dañadas y la defensa. En este caso, los anticuerpos unidos a los antígenos de la superficie de los gérmenes patógenos se unen, a su vez, con los receptores de fagocitosis de la membrana de los fagocitos. Esto da lugar a que extiendan unas prolongaciones, llamadas pseudópodos, que rodean al germen hasta formar una vesícula de gran tamaño (≥ 200 nm de diámetro), denominada fagosoma. Los materiales fagocitados acaban siendo digeridos en los lisosomas. Pinocitosis. El material ingerido es líquido o está en forma de pequeñas partículas. Existen varios tipos de pinocitosis; el más común se denomina endocitosis dependiente de clatrina y se utiliza para la captación selectiva de macromoléculas, como el colesterol. Estas se unen, en primer lugar, a los receptores de endocitosis de la membrana plasmática, lo cual da lugar, inmediatamente después, a que las unidades de una proteína llamada clatrina, situadas en la cara citosólica, se organicen, invaginen la membrana plasmática, formen pequeñas depresiones de la membrana y originen las vesículas endocíticas recubiertas (≤ 200 nm de diámetro). Estas se convierten en endosomas y los materiales endocitados acaban digeridos también en los lisosomas.

Fagocitosis. Neutrófilo (1) fagocitando una levadura (2) (MEB).

Pinocitosis (MET). Membrana plasmática (1) y vesículas pinocíticas (2).

Endocitosis (modelo molecular). Membrana plasmática (1) y fosa recubierta de clatrina (2).

Antígeno Pseudópodos

Bacteria

Macromolécula extracelular Receptor

Anticuerpo

Receptor Membrana plasmática

Clatrina Fagosoma Fagosoma

Lisosoma

Fosa recubierta

Endosoma

Seudópodo Endolisosoma

Vesícula recubierta de clatrina

Fagolisosoma

Bacteria

Tipos de endocitosis. 1) Fagocitosis: los anticuerpos que rodean la bacteria se une a receptores de la membrana plasmática del fagocito, lo que induce la formación de seudópodos que rodean a la bacteria hasta que queda englobada en un fagosoma. 2) Pinocitosis: las macromoléculas se unen a los receptores de endocitosis de la membrana plasmática, la clatrina invagina la membrana plasmática y se forman las vesículas endocíticas recubiertas y los endosomas.

5 ¿En qué se diferencian la difusión facilitada y el transporte activo? ¿Cómo se llevan a cabo dichos procesos?

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 159

Vesícula

Exocitosis Es el proceso contrario a la endocitosis, mediante el cual todas las células secretan los materiales necesarios para renovar la membrana plasmática y los componentes de la matriz extracelular. Igualmente, mediante exocitosis las células secretoras especializadas vierten al exterior hormonas, neurotransmisores, enzimas digestivas, etc. Todos los materiales destinados a ser secretados se sintetizan en el retículo endoplasmático, y luego pasan al aparato de Golgi. En este orgánulo, los productos que van a ser secretados se reúnen y salen en vesículas secretoras (mediante secreción regulada o constitutiva), que se dirigen a la membrana plasmática con la que se fusionan para liberar su contenido al exterior. Retículo endoplasmático Exocitosis

Membrana plasmática Vesícula

Endocitosis (A) y exocitosis (B).

Vesículas secretoras

Aparato de Golgi

Proceso de exocitosis.

2.2 UNIONES CELULARES

2 1

Célula A

Célula B

Las uniones celulares son regiones especializadas de la membrana plasmática en las que se concentran proteínas transmembrana especiales, mediante las cuales se establecen conexiones entre dos células o entre una célula y la matriz extracelular. Aparecen en todos los tejidos, pero son especialmente importantes en los epitelios, y se clasifican en dos grupos: por su función (pueden ser uniones ocluyentes, de anclaje o comunicantes) y por su forma (pueden ser zónulas o máculas). Las zónulas son uniones que rodean a la célula, como las zónulas occludens (uniones ocluyentes) y las zónulas adherens (uniones de anclaje). Las máculas son uniones puntuales, de forma redondeada u oval, como las máculas adherens o desmosomas (uniones de anclaje), los hemidesmosomas (uniones de anclaje) y las uniones gap (uniones comunicantes).

7 ¿Qué clases de uniones conectan las células entre sí y con la matriz extrace lular?

160

Zónula occludens Zónula adherens Mácula adherens o desmosoma Unión gap Hemidesmosoma

Matriz extracelular

Superficie lateral

⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩

6 Explica las diferencias en tre endocitosis y exocitosis y describe las caracterís ticas de los dos tipos de endocitosis (fagocitosis y pinocitosis).

Superficie apical

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Microvellosidad

⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩

Máculas adherens o desmosomas (MET) (1). Membranas plasmáticas (2) de las células A y B.

Superficie basal

Tipos de uniones celulares que conectan entre sí y con la matriz extracelular las células del epitelio intestinal.

●●●

Características de los distintos tipos de uniones celulares

Uniones ocluyentes. Se denominan también zónulas occludens y aparecen en la región lateral superior de las células epiteliales que separan medios de composición muy diferentes (pared de los vasos sanguíneos, pared de la vejiga urinaria, pared intestinal, etc.). En estas uniones, las bandas de proteínas transmembrana de la membrana plasmática de una célula contactan con bandas de proteínas transmembrana de la membrana plasmática de la otra célula. Sus funciones principales son cerrar el espacio intercelular entre las células impidiendo el paso de moléculas entre ellas y mantener los dominios apical y basolateral de la membrana plasmática, evitando que las proteínas de membrana de la región apical se difundan a las regiones lateral y basal. Uniones comunicantes. Se denominan también uniones gap y su función consiste en establecer puntos de comunicación directa entre los citoplasmas de células adyacentes, a través de los cuales pasan iones y pequeñas moléculas. En estos puntos las membranas plasmáticas de las células están muy próximas y esto permite que las proteínas transmembrana llamadas conexinas formen canales proteicos, denominados conexones, que las atraviesan. En muchos casos, como por ejemplo en la contracción de las células musculares cardiacas, este tipo de comunicación es esencial para el funcionamiento coordinado de varias células.

Microvellosidad Proteínas transmembrana Espacio intercelular

Zónulas occludens. Cierran el espacio intercelular entre células adyacentes e impiden el paso de las sustancias.

Proteínas transmembrana

Uniones de anclaje. Se sitúan en las superficies laterales y basales de las células. Son frecuentes en tejidos sometidos a estrés mecánico como el intestino, la piel, el cuello uterino, etc. A través de proteínas transmembrana conectan los filamentos del citoesqueleto de una célula con los de otra o con la matriz extracelular. La función de estas uniones es aumentar la resistencia de las células frente a tensiones mecánicas fuertes que aplicadas sobre una sola célula, acabarían rompiéndola. Existen tres tipos de uniones de anclaje: las máculas adherens o desmosomas, los hemidesmosomas y las zónulas adherens.

Máculas adherens o desmosomas. Anclan los filamentos intermedios del citoesqueleto de células adyacentes.

Hemidesmosomas. Anclan los filamentos intermedios del citoesqueleto de una célula a la matriz extracelular.

Zónulas occludens (uniónes ocluyentes)

Conexón

Uniones gap. Permiten la comunicación entre células adyacentes.

Zónulas adherens. Conectan los filamentos de actina del citoesqueleto de células adyacentes.

Síntesis

FUNCIONES DE LOS PRINCIPALES TIPOS DE UNIONES CELULARES Nombre

Filamentos de actina

1 2

Filamentos intermedios 3 4 5

Filamentos intermedios

Función

1. Zónula occludens (unión ocluyente)

Une las células adyacentes de las láminas epiteliales para evitar el paso de moléculas entre ellas.

2. Zónula adherens (unión de anclaje)

Conecta los filamentos de actina de los citoesqueletos de las células adyacentes.

3. Mácula adherens o desmosoma (unión de anclaje)

Conecta los filamentos intermedios de los citoesqueletos de las células adyacentes.

4. Unión gap (comunicante)

Comunica los citoplasmas de células adyacentes, permitiendo el paso de iones y pequeñas moléculas hidrosolubles de una a otra.

5. Hemidesmosoma (unión de anclaje)

Ancla los filamentos intermedios del citoesqueleto de una célula a la matriz extracelular. 7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 161

2.3 COMUNICACIÓN CELULAR

¿LO SABÍAS? El estudio de los mecanismos de comunicación celular es actualmente un área de investigación prioritaria, ya que muchos tipos de cáncer se deben a alteraciones en las vías de comunicación celular que controlan la proliferación y la supervivencia de las células sanas.

Todas las células, desde las procariotas más sencillas a las de los organismos multicelulares son capaces de responder adecuadamente a los estímulos externos. Por ejemplo, las bacterias captan concentraciones elevadas de nutrientes y se mueven hacia ellas y las levaduras utilizan señales, llamadas feromonas, para coordinar la reproducción sexual. Los mecanismos de comunicación celular alcanzan su mayor complejidad en los organismos pluricelulares, en los que el comportamiento de cada célula es regulado cuidadosamente para satisfacer las necesidades del organismo. ●●●

Tipos de comunicación celular

En función de la distancia recorrida por la molécula señal, desde que es secretada por la célula señalizadora hasta que alcanza a la célula diana, se diferencian tres tipos de comunicación celular: endocrina, paracrina y autocrina. A

Célula endocrina

Comunicación endocrina. Las moléculas señal son secretadas por células endocrinas y se transportan a través de la circulación hasta alcanzar a las células diana localizadas en lugares alejados del organismo. Ejemplo: las hormonas como la insulina, estrógenos, etc.

Receptor

Hormona

Comunicación paracrina. Las moléculas señal secretadas actúan localmente, afectando solamente a las células vecinas. Ejemplo: los neurotransmisores. Comunicación autocrina. Las moléculas señal secretadas actúan sobre las mismas células que las han secretado. Ejemplo: los linfocitos T estimulados por un antígeno secretan un factor de crecimiento que induce su proliferación.

Sangre Célula diana

OBSERVA El esquema general de una ruta de señalización intracelular

Molécula señal extracelular Célula señalizadora

Receptor

Proteínas intracelulares de señalización

Células diana

Proteínas diana

Mediador local

Enzima metabólica

Proteína reguladora de genes

Proteína del citoesqueleto

Cambio de metabolismo

Cambio de expresión génica

Cambio de forma celular o movimiento

Una célula señalizadora sintetiza y secreta una molécula señal que es reconocida por receptores específicos presentes en otras células llamadas células diana. En la mayoría de los casos, los receptores están situados en la membrana plasmática y actúan como transductores, es decir, convierten la señal extracelular en una señal intracelular que se transmite por el interior de la célula pasando de unas proteínas intracelulares a otras, como si se tratara de una carrera de relevos, hasta alcanzar a las proteínas diana, modificando su actividad. Las proteínas diana pueden ser enzimas, proteínas reguladoras de genes, proteínas del citoesqueleto, etc.

Tipos de comunicación celular. Endocrina (A). Paracrina(B). Autocrina (C).

162

El resultado final de la unión de una molécula señal a sus receptores es un cambio en el comportamiento celular (metabolismo, motilidad, proliferación, supervivencia y diferenciación).

3 MATRIZ EXTRACELULAR ¿LO SABÍAS?

La matriz extracelular es una compleja red de proteínas y polisacáridos secreta dos por las células animales que rellena los espacios entre ellas y une entre sí las células y los tejidos, algo imprescindible para formar los órganos.

El síndrome de Ehlers-Danlos se trata de un grupo de alteraciones genéticas causadas por un defecto en la síntesis y el ensamblaje del colágeno que se manifiesta por la hiperextensibilidad de la piel.

Desempeña diversas funciones, como aportar un soporte estructural a las células y los tejidos, actúa como un filtro que regula el paso de las moléculas por el medio extracelular e interviene en la migración de las células (promoviéndola o inhibiéndola). La cantidad y composición de la matriz extracelular varía de unos tejidos animales a otros. En los tejidos epitelial y muscular es muy escasa, mientras que es muy abundante en tejidos con función de relleno o soporte, como el conjuntivo, el óseo y el cartilaginoso. La matriz extracelular consta de tres componentes principales: proteínas estructurales fibrosas, glucosaminoglucanos y proteínas de adhesión. ●●●

Características de los componentes de la matriz

Proteínas estructurales fibrosas. La más importante es el colágeno, que es la proteína más abundante en los tejidos animales. La característica principal de una molécula de colágeno es su estructura de triple hélice. Estas moléculas se ensamblan unas con otras formando fibrillas, que se empaquetan entre sí constituyendo las fibras de colágeno. Estas son flexibles y muy resistentes a la tracción y aportan una gran resistencia a la matriz. Otra proteína fibrosa de la matriz es la elastina, que tiene una gran facilidad para cambiar de longitud. Forma las fibras elásticas que proporcionan elasticidad a la matriz extracelular, es muy abundante en órganos que se expanden y se contraen regularmente, como los pulmones. Glucosaminoglucanos. Son polisacáridos que forman una sustancia gelatinosa, llamada sustancia fundamental, en la que están incluidos los demás componentes de la matriz. Uno de los más relevantes es el ácido hialurónico. La mayor parte de los glucosaminoglucanos están asociados a proteínas formando proteoglucanos y tienen carga eléctrica negativa, lo que favorece la retención de agua y su unión a cationes. Proteínas de adhesión. Facilitan la unión entre los componentes de la matriz extracelular y entre estos y las células. La más importante es la fibronectina que se une al colágeno, a los proteoglucanos y a las integrinas (proteínas transmembrana de la membrana plasmática celular). Proteoglucano

Glucosaminoglucanos

Proteína C

Unión celular

Unión proteoglucano

Colágeno Fibronectina Integrinas

Filamentos de actina Membrana plasmática

Interacciones entre los componentes de la matriz extracelular y los de la membrana plasmática de las células.

Glucosaminoglucano

Unión colágeno

Componentes de la matriz extracelular. Molécula de colágeno (A). Molécula de proteoglucano (B). Molécula de fibronectina, compuesta por dos subunidades conectadas por puentes disulfuro (C).

8 ¿Qué es la matriz extrace lular y qué funciones des empeña? 9 Describe las características de los principales compo nentes de la matriz extrace lular.

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 163

4 CITOPLASMA El citoplasma de las células eucariotas es el contenido que se encuentra locali zado entre la membrana plasmática y el núcleo. Presenta una fase acuosa llamada citosol en el que se encuentran inmersos una red de filamentos proteicos de diferente grosor, que constituyen el citoesqueleto, y una gran variedad de estructuras y orgánulos citoplasmáticos; las inclusiones, los ribosomas y los proteosomas los estudiaremos en esta unidad, y los orgánulos membranosos (retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas, mitocondrias, cloroplastos, vacuolas y peroxisomas) los estudiaremos en la unidad siguiente.

4.1 EL CITOSOL El citosol, también llamado citoplasma fundamental o hialoplasma, es el medio acuoso en el que se encuentran inmersos los orgánulos membranosos, los ribosomas, y un gran número de enzimas y estructuras como las inclusiones y el citoesqueleto.

En el citosol tienen lugar muchos procesos fundamentales para la vida de la célula como son la síntesis, el plegamiento y la degradación de numerosas proteínas y la mayor parte de las reacciones del metabolismo intermediario.

4.2 LAS INCLUSIONES CITOPLASMÁTICAS Las inclusiones citoplasmáticas son materiales almacenados en el citoplasma celular que no están rodeados de membrana y que son demostrables microscó picamente. Las inclusiones más comunes en las células animales son la grasa (almacén de lípidos) y el glucógeno (almacén de azúcares), que aseguran a la célula el mantenimiento de los niveles de ATP. Hepatocito. Se observan los gránulos de glucógeno de las inclusiones citoplasmáticas (1). Micrografía electrónica (MET).

Glucógeno. Es un polímero ramificado de glucosa que, a microscopía electrónica, se presenta en forma de pequeños gránulos dispersos por el citoplasma de muchas células, pero principalmente en las de hígado y músculos (el glucógeno se almacena hidratado). En función de las necesidades del organismo, el glucógeno almacenado en el hígado se degrada a glucosa, que es distribuida a las células que la necesitan por vía sanguínea. Grasas. Son una fuente de energía más importante que el glucógeno. Un adulto medio almacena glucógeno suficiente para un día de actividad normal, pero acumula grasa (prácticamente anhidra) para casi un mes. Esto se debe, por una parte, a que 1 g de grasa anhidra acumula más de seis veces la energía de 1 g de glucógeno hidratado, y por otra, a que las grasas no contienen agua, como los granos de glucógeno, y por tanto se precisa seis veces menos masa para almacenar la misma cantidad de energía. La mayor parte de la grasa se almacena en el citoplasma de las células del tejido adiposo en forma de gran gota compuesta de triacilgliceroles insolubles en agua. Desde el tejido adiposo se libera a la sangre para que otras células la utilicen cuando la necesiten, por ejemplo, tras un periodo de ayuno. 10 Describe los elementos que componen el citoplasma.

Adipocitos del tejido adiposo. La mayor parte del citoplasma (1) está ocupado por una gran gota de grasa (2).

164

11 ¿Qué es el citosol y qué tipos de procesos tienen lugar en él? 12 Señala las características de las inclusiones citoplasmáticas más comunes.

4.3 LOS RIBOSOMAS

HISTORIA DE LA

Los ribosomas están formados por varias moléculas de ARNr y más de 50 proteí nas diferentes y su función es sintetizar las proteínas en las células.

Ada E. Yonath Bioquímica israelí (1939), investiga en Instituto Weizmann de Ciencias.

Los ribosomas se designan, generalmente, por su coeficiente de sedimentación: 70 S los ribosomas de procariotas y 80 S los ribosomas de eucariotas, que son de mayor tamaño. Sin embargo, a pesar de sus diferencias de tamaño y también de composición, los ribosomas de las células procariotas y eucariotas presentan enormes semejanzas estructurales y funcionales. En ambos casos constan de dos subunidades, una grande y una pequeña.

Diseñó la técnica de la criobiocristalografía de rayos X, mediante la cual pudo descifrar la estructura tridimensional del ribosoma, por lo que fue galardonada con el Premio Nobel de Química en 2009, junto con Venkatraman Ramakrishnan y Thomas A. Steitz. Su trabajo ha servido para diseñar antibióticos más eficaces y específicos.

En las células eucariotas los ribosomas se localizan unidos a la cara citosólica de la membrana nuclear externa y de la membrana del retículo endoplasmático rugoso, libres en el citoplasma y en el interior de las mitocondrias y de los cloroplastos. Los ribosomas de estos orgánulos son similares a los ribosomas de las procariotas. Para la síntesis de proteínas los ribosomas, tanto los libres como los unidos a membranas, se asocian en grupo a cada molécula de ARNm, formando polirribosomas o polisomas, que suelen adoptar una conformación en espiral. Así, cada ARNm es traducido a la vez por varios ribosomas. A

También investiga sobre los ancestros evolutivos del ribosoma, cuya estructura sugiere que es una ribozima, una reliquia ancestral de las etapas iniciales de la evolución de la vida: del mundo ARN.

B 3

3 5’

CIENCIA

Pertenece a diversas Academias de Ciencias y ha recibido numerosos premios y distinciones.

3’ 1

Polirribosoma procarióticas (MET). A) Ribosomas (1) asociados a una molécula de ARNm (2) durante el proceso de síntesis de proteínas (3). B) Interpretación esquemática del proceso.

13 Describe las característi cas de los ribosomoas y dónde se localizan en las células eucariotas y pro cariotas

OBSERVA

14 Indica las diferencias y las semejanzas de los riboso mas de procariotas y de eucariotas.

Las características de los ribosomas de células procariotas y eucariotas Ribosomas de células procariotas (70 S). La subunidad menor (30 S) posee una molécula de ARNr (16 S) y 21 proteínas diferentes. La subunidad mayor (50 S) contiene dos ARNr (23 S y 5 S) y 34 proteínas distintas. Ribosomas de células eucariotas (80 S). La subunidad menor (40 S) posee una molécula de ARNr (18 S) y 33 proteínas diferentes. La subunidad mayor (60 S) tiene tres ARNr (28 S; 5,8 S y 5 S) y 49 proteínas distintas. Ribosoma

Procariotas

Eucariotas 70 S

80 S

2,52 × 106 D

4,22 × 106 D

Subunidades 30 S

50 S

60 S

40 S

(0,93 × 106 D)

(1,59 × 106 D)

(1,40 × 106 D)

(2,82 × 106 D)

ARNr

16 S

23 S, 5 S

18 S

28 S, 5,8 S, 5 S

Proteínas

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 165

evidencia EXPERIMENTAL Enfermedades causadas por las proteosomas Los proteosomas localizados cerca del núcleo degradan histonas oxidadas, por lo que el mal funcionamiento de estos sistemas de «desguace» proteicos va acompañado de la acumulación de agregados de histonas oxidadas, un proceso que está relacionado con el envejecimiento celular. Al parecer, el deterioro de la actividad de los proteosomas puede estar también vinculado con el desarrollo de algunas enfermedades neurodegenerativas, como el alzhéimer el párkinson, en las que se acumulan grandes depósitos insolubles de proteínas mal plegadas causantes de la neurotoxicidad. Por otra parte, niveles altos de la actividad proteosómica están relacionados con ciertas enfermedades autoinmunes inflamatorias, como el lupus eritematoso y la artritis reumatoide, y con algunos tipos de cánceres, como el mieloma múltiple. Uno de los fármacos antitumorales utilizados en la quimioterapia de ciertos cánceres es el bortezomib (1), una molécula que actúa como inhibidor proteosómico.

4.4 LOS PROTEOSOMAS La cantidad de proteínas en una célula no solo está regulada por su velocidad de síntesis, sino también por su velocidad de degradación. La vida media de las proteínas varía desde unos minutos a unos días. Las proteínas reguladoras, como las que regulan el ciclo celular, son degradadas rápidamente, mientras que las proteínas estructurales, como las tubulinas que forman los microtúbulos, tienen una vida más larga. Pero todas ellas son renovadas continuamente en las células. Además, las proteínas que se han plegado de forma incorrecta o que están dañadas deben ser eliminadas para que no interfieran en el funcionamiento celular. En las células eucariotas hay dos puntos de eliminación de proteínas, los lisosomas, que veremos más adelante, y los proteosomas (también se denominan proteasomas, por las enzimas proteasas que contienen). Los proteosomas también están presentes en todas las arqueobacterias y en algunas bacterias. Los proteosomas son grandes complejos moleculares formados por múltiples subunidades proteicas cuya función es degradar proteínas defectuosas o de vida corta, para lo cual utilizan energía derivada del ATP. Los proteosomas de las células eucariotas constan de dos partes: un cilindro central hueco constituido por proteasas cuyos puntos activos se sitúan hacia el interior, formando una cámara proteolítica, y dos complejos proteicos que se ubican en los extremos del cilindro y cuya función es reconocer a las proteínas que deben ser degradadas y pasarlas al interior de la cámara. Las proteínas que deben ser destruidas llevan en su superficie unas señales (generalmente fosforilaciones de los aminoácidos arginina) que son reconocidas por un sistema de enzimas, las cuales se encargan de unirles unas cadenas de una pequeña proteína, llamada ubiquitina. Estas proteínas fosforiladas y ubiquitinadas son reconocidas por los complejos proteicos del proteosoma e introducidas en el cilindro proteolítico, donde son degradadas. Los aminoácidos resultantes de la degradación vuelven al citosol para ser utilizados de nuevo. Los proteosomas también desempeñan una función importante en la forma de presentar el antígeno durante la respuesta inmunitaria específica.

B Proteosoma

Cámara proteolítica

Proteína defectuosa o de vida corta

15 Dibuja un proteosoma y des cribe su funciona miento.

166

Molécula de ubiquitina

Proteína degradada

Proteína fosforilada y poliubiquitinada

Proteosoma. Modelo molecular (A). Proceso de ubiquitinación y destrucción de una proteína en el proteosoma (B).

5 CITOESQUELETO El citoesqueleto es una red de filamentos proteicos de diferente grosor que se extiende por todo el citoplasma de las células procariotas y eucariotas. El citoesqueleto eucariota está formado por tres tipos de filamentos proteicos: los microtúbulos, los microfilamentos y los filamentos intermedios, que interaccionan y se unen a los orgánulos celulares y a la membrana plasmática mediante proteínas accesorias. El citoesqueleto procariota posee proteínas homólogas a las eucariotas, como FtsZ (similar a la tubulina), MreB (similar a la actina) y otras.

Membrana plasmática

Microfilamentos

Mitocondria Filamentos intermedios Microtúbulo Vesícula

Citoesqueleto. Distribución de sus componentes en una célula epitelial.

El citoesqueleto eucariota es una estructura dinámica que se reorganiza continuamente cuando las células se mueven o cambian de forma y durante la división celular. Las características de sus componentes son los siguientes:

Estructura

Microscopía de fluorescencia. Los anticuerpos (1) se unen específicamente a las proteínas de los microfilamentos (actina) (2) y de los microtúbulos (tubulina) (3). A su vez, los anticuerpos también están enlazados con moléculas de fluorocromo (4). Cuando la preparación se ilumina en el microscopio con luz UV, se observan los fibroblastos (5) con los microfilamentos (rojo), y los microtúbulos (verde); los núcleos se colorean de azul.

Microfilamentos

Filamentos intermedios

Microtúbulos

Dos protofilamentos enrollados entre sí, formados por subunidades de la proteína globular actina.

Similar a una cuerda, constituidos por la asociación lateral de proteínas fibrosas de diferentes tipos.

Tubos huecos compuestos por 13 protofilamentos formados por la proteína globular dimérica tubulina.

7 nm

8-12 nm

25 nm

Distribución celular

Funciones

Se extienden por todo el citoplasma, pero abundan sobre todo debajo de la membrana plasmática, formando una red denominada córtex celular.

Se extienden por todo el citoplasma, desde el núcleo hasta la membrana plasmática, a la que se anclan en los desmosomas y en los hemidesmosomas.

Se irradian desde una región del citoplasma próxima al núcleo, llamada centro organizador de microtúbulos o centrosoma, hasta la periferia celular.

Mantenimiento de la forma celular. Movimiento celular (seudópodos). División del citoplasma en la división celular (anillo contráctil). Contracción muscular.

Mantenimiento de la forma celular. Formación de la lámina fibrosa nuclear.

Mantenimiento de la forma celular. Movimiento celular (cilios y flagelos). Movimiento de orgánulos. Movimiento de los cromosomas en la división celular (huso mitótico). 7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 167

5.1 FILAMENTOS INTERMEDIOS

¿LO SABÍAS? Ciertas alteraciones de los filamentos intermedios están relacionadas con enfermedades como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) que conduce a la pérdida progresiva de neuronas motoras, lo que lleva a la atrofia muscular, la parálisis y posteriormente a la muerte. La ELA, y otras dolencias de las motoneuronas, se caracterizan por el ensamblaje anormal de los neurofilamentos. Retículo sarcoplasmático

A diferencia de los microfilamentos y los microtúbulos, los filamentos intermedios son estables, no polares y las proteínas fibrosas que los forman están enrolladas entre sí y varían de unas células a otras, por lo que estos filamentos reciben nombres distintos según el tipo de célula de que se trate: queratina en el tejido epitelial; vimentina en los tejidos conjuntivo y muscular o neurofilamentos en el tejido nervioso. Debido a su gran resistencia, la función principal de los filamentos intermedios es aportar a las células estabilidad mecánica. Por ello, son especialmente abundantes en el citoplasma de células sometidas a fuertes tensiones, como las células epiteliales, las neuronas, el músculo, etcétera.

5.2 MICROFILAMENTOS O FILAMENTOS DE ACTINA Los microfilamentos o filamentos de actina son estructuras finas y flexibles, de 7 nm de diámetro, constituidos por subunidades de la proteína globular actina. Son estructuras polares, es decir, que uno de sus extremos, llamado extremo más (+), crece a gran velocidad uniendo monómeros de actina, mientras que el otro crece lentamente, denominado extremo menos (–).

Se denominan así porque su diámetro (8 - 12 nm) está comprendido entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos. Se extienden por todo el citoplasma y se anclan en la membrana plasmática en los desmosomas.

Además, son estructuras lábiles, es decir, pasan por fases de crecimiento (por adición de monómeros en los extremos) y de acortamiento (por pérdida de monómeros de los extremos). Sarcómero 5

Anatomía del músculo estriado (1). Fibras musculares (2) y miofibrillas (3), formadas por haces contráctiles de filamentos de actina (4) y de miosina (5).

Según las proteínas accesorias a las que estén asociados, pueden formar parte tanto de estructuras dinámicas (contracción muscular, anillo contráctil, pseudópodos), como de estructuras rígidas y estables (microvellosidades). Las formaciones de actina más comunes en las células son las redes y los haces: Redes. Los filamentos de actina forman mallas tridimensionales con las propiedades de geles semisólidos. Una red de filamentos de actina se sitúa por debajo de la membrana plasmática de las células actuando como soporte estructural y formando, en las células móviles, los seudópodos que permiten los desplazamientos celulares y los procesos como la fagocitosis. Haces. Los filamentos de actina se disponen en estructuras paralelas. Unos haces son contráctiles, como los que constituyen los sarcómeros que permiten la contracción muscular, y el anillo contráctil, que divide en dos el citoplasma de las células animales tras la mitosis; otros haces son no contráctiles, como los que mantienen la estructura de las microvellosidades de las células intestinales.

5.3 MICROTÚBULOS Filamentos de actina B

Proteínas de unión a la membrana plasmática

Membrana plasmática

Proteínas de unión entre filamentos de actina

Célula del epitelio intestinal (A). Detalle de la estructura de una microvellosidad intestinal (B).

168

Al igual que los microfilamentos, los microtúbulos son estructuras polares (los extremos más crecen a gran velocidad uniendo dímeros de tubulina α y β, mientras que los extremos menos crecen lentamente) y lábiles (pasan por fases de crecimiento y de acortamiento). Los microtúbulos son estructuras cilíndricas huecas de 25 nm de diámetro externo, relativamente rígidas, que irradian desde una región del citoplasma denominada centrosoma. La estabilidad de los microtúbulos está regulada por proteínas asociadas lateralmente, como las proteínas tau (en las neuronas), que controlan su ensamblaje y desensamblaje y sus interacciones entre sí y con otros elementos celulares. Según sean estas proteínas, los microtúbulos pueden formar parte tanto de estructuras dinámicas (participan en el mantenimiento de la forma celular, en la formación del huso mitótico y en el transporte de estructuras intracelulares mediante motores moleculares), como de estructuras estables (centriolos, cilios y flagelos).

●●●

Transporte de estructuras intracelulares

Centrosoma

Los microtúbulos (y también los microfilamentos) son como autopistas que facilitan el transporte de estructuras (vesículas, orgánulos, ARNm, cromosomas, etc.), entre diferentes regiones de la célula. Para dicho transporte utilizan un tipo de proteínas (quinesinas y dineínas) que actúan como motores moleculares, las cuales se mueven unidireccionalmente a lo largo de los microtúbulos y utilizan para ello la energía almacenada en el ATP. Tubulina β

Tubulina α 3

Microtúbulo

Centriolos

–

Microtúbulos

2 4 1

Transporte intracelular. Las proteínas quinesina y dineína (1) transportan componentes celulares, como vesículas (2) y mitocondrias (3) a lo largo de los microtúbulos (4). ●●●

Centrosoma y centriolos

El centrosoma es un orgánulo sin membrana, exclusivo de las células animales, que consta de un par de estructuras, llamadas centriolos, rodeados de una matriz amorfa pericentriolar. Está situado cerca del núcleo, desde donde irradian los microtúbulos extendiéndose por el citoplasma.

Matriz pericentriolar

Microtúbulos. Organización intracelular de una célula en interfase (A). Centrosoma de una célula animal (B). Diplosoma A

La matriz pericentriolar posee cientos de estructuras en forma de hexágonos, compuestas por un tipo de tubulina, que sirven como puntos de nucleación para la creación de microtúbulos. El centrosoma constituye el centro organizador de los microtúbulos, que crecen a partir de él: estos se unen a los anillos por sus extremos menos, que quedan anclados, y el crecimiento tiene lugar hacia los extremos más, que se alejan del centrosoma. A partir del centrosoma derivan todas las estructuras constituidas por microtúbulos, como los cilios y flagelos, encargados del desplazamiento celular; el huso mitótico, encargado de la separación de los cromosomas durante la división celular, y la estructura del citoesqueleto. Los centriolos son un par de pequeñas estructuras cilíndricas, situadas perpen dicularmente una con respecto a la otra (diplosoma) y embebidas en el centro soma de las células animales. Cada centriolo está formado por nueve tripletes de microtúbulos, llamados A, B y C, de los cuales solo el A es completo, y nu merosas proteínas accesorias que conectan los tripletes entre sí y con el centro del centriolo, lo que le da el aspecto de la rueda de un carro: una varilla proteica central de la que parten nueve láminas radiales. Los centriolos y el centrosoma se duplican durante cada ciclo celular al mismo tiempo que se replica el ADN, antes de que se inicie la mitosis. Los dos centrosomas hijos, cada uno con un par de centriolos, se mueven en direcciones opuestas cuando comienza la mitosis y forman los dos polos del huso mitótico. Los centriolos intervienen en la formación del centrosoma y en la reorganización espacial de la célula; además, dan lugar a los cuerpos basales de los cilios y flagelos (ambos orgánulos son interconvertibles). 16 Describe las características y las funciones de los microfilamentos. 17 ¿Qué es el centrosoma? ¿Cuáles son sus funciones?

Láminas radiales

Tripletes de microtúbulos B

C B A

Varilla central Proteínas accesorias C

Centríolos. Esquema de los dos centriolos (A). Sección transversal de un centriolo (nueve tripletes de microtúbulos y estructura central con aspecto de rueda de carro) (B). Microfotografía de la sección transversal de un centriolo (MET) (C).

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 169

●●●

Cilios y flagelos

Los cilios y los flagelos son prolongaciones de la membrana plasmática forma das por microtúbulos y proteínas asociadas, responsables del movimiento de ciertos tipos celulares.

Su función es desplazar las células libres en un medio líquido (protozoos) o movilizar fluidos sobre la superficie de células fijas (epitelio del tracto respiratorio).

Los cilios y los flagelos tienen una estructura común, pero se diferencian en su patrón de movimiento y en que los cilios son numerosos y cortos y los flagelos son escasos, más largos y más gruesos debido a que tienen otras estructuras añadidas, como mitocondrias o fibras.

Óvulo

Movimientos ondulatorios (1) de los flagelos de los espermatozoides (2).

Movimiento de los cilios. Es similar al de un remo: un golpe efectivo (1), durante el cual el cilio se mantiene rígido, y una fase de recuperación (2), en la que el cilio se hace flexible y ofrece poca resistencia al medio. 1

Estructura de cilios y flagelos Los cilios y los flagelos constan de una porción externa al cuerpo celular, envuelta por la membrana plasmática, que contiene un esqueleto interno de microtúbulos llamado axonema; y de una porción interna, por dentro de la membrana plasmática, que se denomina cuerpo basal: cada centriolo que migra a la superficie celular, ancla, y se convierte en un cuerpo basal, que es el centro organizador del cilio y del flagelo, a partir del cual crece el axonema.

Cilios (1). Paramecio (2) y epitelio ciliado pseudoestratificado de los bronquios (3).

El axonema consta de nueve pares de microtúbulos periféricos y un par de microtúbulos centrales (estructura 9 + 2). Los dos microtúbulos centrales son completos, mientras que cada uno de los dobletes periféricos está formado por un microtúbulo completo (A) y otro incompleto (B).

1 Microtúbulos centrales

Además de microtúbulos, el axonema presenta numerosas proteínas que cumplen funciones estructurales o motoras. Entre ellas están la nexina, que une unos pares de microtúbulos con otros, y la proteína motora dineína, que sale, a modo de dos brazos, de los microtúbulos A de cada doblete y es la responsable del movimiento de los cilios y los flagelos, para lo cual utiliza la energía derivada del ATP.

Microtúbulos periféricos

Microtúbulo B

Microtúbulos periféricos Microtúbulo A

Tripletes de microtúbulos Axonema

C B A

Filamentos radiales Brazos de dineína

Nexina Vaina interna

Membrana plasmática Cuerpo basal

Microtúbulos centrales

Estructura de cilios y flagelos. Estructura longitudinal (1). Corte transversal a la altura del cuerpo basal (2). Corte transversal a la altura del axonema: estructura 9 + 2 (3).

170

Mecanismo molecular del movimiento de cilios y flagelos Los movimientos de los cilios y flagelos se producen por el deslizamiento de los dobletes externos de microtúbulos, uno con respecto el otro, impulsados por la actividad motora de la dineína. En presencia de ATP, los brazos de dineína que salen del microtúbulo A de cada doblete «caminan» sobre el microtúbulo B del doblete adyacente en dirección al extremo menos. Como los dobletes están unidos unos a otros por puentes de nexina, el deslizamiento de un doblete sobre otro provoca la flexión del cilio o flagelo. Esta flexión es la base del movimiento de batido de cilios y flagelos. Microtúbulos periféricos

Dineína

B A

Dineína

Microtúbulos periféricos

B A

Movimiento de las dineínas hacia el extremo menos del microtúbulo B

Unión de nexina

Nexina Cilio

Mecanismo molecular del movimiento ciliar. 1) Esquema en el que se aprecia la curvatura del cilio provocada por las dineínas. 2) Esquema en el que se observa el movimiento de las moléculas de dineínas unidas al microtúbulo A de un doblete hacia el extremo menos del microtúbulo B del doblete adyacente. Como ambos dobletes de microtúbulos están conectados por proteínas de unión, este movimiento provoca la curvatura del cilio.

HISTORIA DE LA

CIENCIA

Mary Osborn

OBSERVA El movimiento coordinado de los cilios de una célula

En las células ciliadas (1), los cilios (2) se encuentran tan próximos unos de otros que, si cada uno de ellos se moviera independientemente del resto, se enredarían entre sí. Por eso los cilios se desplazan de forma coordinada: cada uno realiza el mismo movimiento que el anterior pero retrasado una fracción de segundo. El resultado es una onda de batido como las espigas mecidas por el viento. Este movimiento coordinado de los cilios se aprecia en la micrografía electrónica de barrido (3). 3 2

18 Los microtúbulos están constituidos fundamentalmente por moléculas de: a) Tubulina. b) Actina. c) Queratina. d) Miosina. 19 ¿Cuál de las siguientes estructuras están formadas por filamentos de acti na? a) Cilios. b) Huso mitótico. c) Lámina nuclear. d) Anillo contráctil. 20 Elige la respuesta correcta. El axonema de un cilio está formado por: a) Un haz de filamentos de actina. b) Nueve tripletes de microtúbulos peri féricos. c) Nueve pares de microtúbulos periféricos y un par de microtúbu los centrales. d) Una red de filamentos intermedios.

Bióloga celular británica (1940), investigadora y profesora de la Universidad de Gotinga. Junto con su marido, K. Weber, desarrollaron un procedimiento para determinar el peso molecular de las proteínas mediante electroforesis en gel. Fueron pioneros en la utilización de técnicas de microscopía de inmunofluorescencia que permiten visibilizar la organización celular de los microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos. Pertenece a la Academia de Ciencias Europea y ha recibido los premios Meyenburg y L'Óreal-UNESCO por sus trabajos sobre el citoesqueleto y el diagnóstico de tumores a partir de los filamentos intermedios de las células tumorales.

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 171

LABORATORIO Y PROCEDIMIENTOS Estudio sobre los cambios de volumen de las células vegetales en medios hipertónicos de distinta osmolaridad La difusión del agua a través de una membrana semipermeable, como la membrana plasmática, se denomina ósmosis. El agua tiende a entrar en las células, donde la concentración de iones y pequeñas moléculas es mayor que en el medio externo. Para compensar esta entrada de agua, que conduciría al estallido celular (plasmólisis), las células han desarrollado diferentes estrategias. Las células vegetales, aunque están rodeadas de un medio acuoso hipotónico, no estallan porque tienen una pared celular resistente que les permite soportar la importante diferencia osmótica que existe entre el medio externo y el citoplasma. El agua entra en el citoplasma, que aumenta de volumen y presiona a la membrana plasmática contra la pared, creando una presión de turgencia que mantiene a las células vegetales distendidas y con la pared tensa. Si sustituimos el medio extracelular hipotónico por una solución hipertónica, el agua saldrá de la célula vegetal y el volumen celular disminuirá. La salida de agua y la disminución de volumen serán proporcionales a la concentración de la solución extracelular y al tiempo durante el cual se mantienen las células en esa solución.

Solución hipotónica

Células turgentes

Medio hipotónico. Las células vegetales se mantienen turgentes. Solución hipertónica

Material necesario Una cebolla. Puede hacerse con otras plantas, por ejemplo con las hojas de Elodea. Soluciones de sacarosa en agua destilada: 0,40, 0,80 y 1,20 M. Placas de Petri, pinzas, tijeras, portaobjetos, cubreobjetos, pipetas Pasteur. Microscopio óptico.

Procedimiento Se desprende un fragmento de la epidermis de una de las capas del bulbo de una cebolla y se coloca en una placa de Petri con agua destilada (solución hipotónica). Tras 15 minutos, se corta con la ayuda de unas pinzas cuatro fragmentos de 0,5 × 0,5 cm. Se pone en un portaobjetos una gota de agua destilada con la pipeta Pasteur y se deposita encima uno de los fragmentos anteriores. Se coloca el cubreobjetos y se observa con el microscopio. Estas son nuestras células control. Descríbelas y haz un esquema. Se pone cada uno de los tres fragmentos restantes en las soluciones 0,40, 0,80 y 1,20 M de sacarosa y se mantienen en las mismas durante 15 minutos.

172

Células plasmolizadas

Medio hipertónico. Las células vegetales pierden volumen.

Se deposita cada fragmento en un portaobjetos sobre una gota de la solución respectiva, se coloca el cubreobjetos y se observa con el microscopio. Describe el efecto de las distintas soluciones sobre las células de la epidermis de cebolla. Dibuja las células en cada una de las diferentes condiciones. Se construye una tabla con los siguientes tratamientos: control; sacarosa 0,40 M; sacarosa 0,80 M; y sacarosa 1,20 M, indicando en cada uno de los casos el número de células plasmolizadas con respecto al número de células totales. Tratamiento

Cél. plasmolizadas/Cél. totales

La fluidez de la bicapa lipídica depende de las carac terísticas de las moléculas lipídicas que la forman. Explica qué ocurriría en los siguientes casos:

10 Compara los ribosomas de procariotas y de eucariotas, indicando su tamaño, el tamaño de sus subunidades, los tipos de ARNr y el número de proteínas.

a) Si predominan los fosfolípidos con cadenas hidro carbonadas saturadas y de cadena larga.

11 El esquema representa la matriz extracelular de las cé lulas animales. Señala qué componente señala cada número.

b) Si predominan los fosfolípidos con cadenas hidro carbonadas insaturadas y de cadena corta.

2 ¿Qué clase de moléculas pueden atravesar las mem branas celulares por difusión simple?

3 ¿Por qué decimos que la membrana plasmática es una estructura asimétrica? 4 ¿Cuáles son las funciones más importantes de la mem brana plasmática de las células? 5 Indica las diferencias que existen entre la difusión fa cilitada y el transporte activo.

6 ¿Qué es la bomba de Na+/K+? ¿Qué bombea hacia el exterior y hacia el interior de la célula? ¿Consume ener gía? En caso afirmativo, indica la fuente de la que ob tiene dicha energía. 7 El siguiente esquema muestra los elementos que inter vienen en una ruta de señalización intracelular:

a) Indica los nombres de los elementos señalados con números de este esquema b) Explica brevemente en qué consiste este proceso. c) Cita algunas moléculas que actúan como moléculas señal. 8 Compara y distingue los tipos y subtipos de transporte a través de las membranas describiendo detallada mente las características de cada uno de ellos. 9 Escribe los tipos de transporte a través de la membrana plasmática señalados mediante letras y números. A

12 Nombra alguna de las estructuras celulares dinámicas y estables de las que forman parte los microtúbulos y los microfilamentos.

Molécula señal extracelular

7 5

ACTIVIDADES

13 La temperatura corporal de los caribúes es de unos 38 °C, pero la temperatura de los extremos de sus pa tas, próximos a las pezuñas, puede descender casi hasta el punto de congelación, al estar en contacto permanentemente con la nieve en invierno. ¿Cómo serán la longitud y el grado de saturación de los ácidos grasos componentes de los fosfolípidos de las membranas celulares de los tejidos próximos a las pezuñas? ¿Y cómo serán en los tejidos de las patas próximas al tronco del animal? Explica razonadamente tus respuestas. 14 El síndrome de Kartagener afecta a diferentes compo nentes de los cilios dando lugar a la formación de ci lios con estructura defectuosa. Este síndrome causa, entre otros síntomas, infertilidad en el hombre. a) Explica de forma razonada por qué se produce la in fertilidad masculina 15 Señala la respuesta correcta: a) Las células vegetales contienen numerosos centrio los en su citoplasma. b) Los microtúbulos son polímeros de la proteína actina. c) El huso mitótico está constituido por microtúbulos. d) Los centriolos constan de nueve pares de microtú bulos periféricos y dos centrales. 16 ¿En qué consiste la comunicación endocrina, paracri na y autocrina? 17 ¿Cuáles son las semejanzas y las diferencias entre la zónula adherens, un desmosoma y un hemidesmosoma?

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 173

ORIENTACIONES Y RECURSOS PARA

sITUACION DE APRENDIZAJE

AYUDARTE

«Un viajero que por primera vez dirige su mirada a la superficie celular se siente sorprendido ante su irregularidad y variabilidad. Con raras excepciones, las células despliegan en su superficie diseños de gran complejidad, característicos de cada tipo. Algunas células están surcadas de profundas hendiduras, o cubiertas de depresiones crateriformes. Las hay deformadas por salientes, llamados pseudópodos, cubiertas de vellosidades, a las que se da el nombre de microvellosidades, o de cilios. Otras, en cambio, revisten su superficie de un finísimo velo. La variedad es interminable… El microscopio electrónico de barrido ha revelado la singular belleza de esos diseños, pero no puede mostrarnos su constante movimiento y sus caleidoscópicas transformaciones. Los cilios se agitan, los velos membranosos ondulan y los pseudópodos se hinchan; de repente se abren cráteres en superficies tranquilas, arrojando productos de secreción, o las invaginaciones se transforman en simas profundas, que engulle el interior celular. A veces… la célula entera entra en convulsión, o comienza a reptar en pos de una tenue señal química… El último puerto en que haremos escala antes de abandonar el citosol será el de las hileras de ribosomas. Libres o vinculados a la superficie de las membranas del retículo endoplasmático rugoso, los ribosomas se encargan del hilvanar los millares de cadenas polipeptídicas diferentes que constituyen las proteínas». 1

a) Indica en qué tipo de células se encuentra y qué re presentan A, B, C, D y E. ¿Qué función tiene la molé cula E? b) Señala dos funciones en las que esté implicada esta estructura celular y nombra dos orgánulos que presenten dicha estructura. c) Explica la composición del glucocálix de las células eucariotas y su función. 6 Identifica las células o moléculas señaladas con números: A

1 2 3 5

4 6

Christian de Duve, La célula viva. Ed. Labor

a) Nombra el proceso que transcurre en A e indica su importancia para el organismo.

¿A qué se refieren los viajeros celulares cuando observan que «las invaginaciones se transforman en simas profundas, que engulle el interior celular»?

b) Explica lo que sucede desde que la célula número 1 queda recubierta por las partículas número 2 hasta que es incorporada totalmente por la célula 5.

a) A la formación de fosas recubiertas en la endocito sis.

7 ¿Qué proceso representa el siguiente esquema?

b) A la emisión de pseudópodos en la fagocitosis. 2 ¿Cuál de las siguientes características corresponde al transporte activo a través de membrana? a) Transporta el sustrato desde el lado de menor con centración hacia el de mayor concentración. b) Se produce directamente a través de la bicapa lipí dica. 3 Si una célula se encuentra rodeada de un líquido cuya concentración de oxígeno y de aminoácidos es infe rior a la del contenido celular, ¿podrían entrar dichas sustancias en la célula? Explica razonadamente la res puesta. 4 Indica la localización y función de los ribosomas en la célula eucariota. ¿Qué característica permite diferen ciar los ribosomas de las células procariotas de los ribosomas de las células eucariotas? 5 ¿Qué estructura representa y qué nombre recibe el mo delo representado en la siguiente ilustración?

c) Al transporte activo a través de la membrana.

c) No requiere gasto de energía.

174

1 2

a) Identifica la estructura señalada con el número 1 y la molécula señalada con el número 2. ¿A qué tipo de biomoléculas pertenecen las moléculas identifi cadas con el número 3? En función de los requeri mientos energéticos es posible clasificar los cuatro procesos señalados como A, B, C y D en dos grupos. Indica el nombre de cada grupo y los procesos que pertenecen a cada uno de ellos. b) ¿Mediante cuál de estos cuatro procesos pasarán las moléculas de CO2, de O2 y de H2O a través de la estructura 1 y qué nombre recibe este proceso? Indi ca el nombre de un proceso del tipo D y menciona una característica de este. ¿Pueden las células fun cionar únicamente con los procesos A, B y C?

ORIENTACIONES Y RECURSOS PARA

AYUDARTE

Son las mismas vigas y cables que llamaron nuestra atención cuando arribamos al citosol… Si hubiéramos podido prescindir de la multitud de objetos globulares que inundaban el citoplasma, habríamos advertido que los componentes del citoesqueleto alcanzan longitudes impresionantes, cruzando la célula de punta a cabo; además, se unían entre sí en múltiples patrones de espectacular belleza y notable regularidad….

4 El esquema siguiente muestra dos cortes transversa les de un cilio, A y B: B

3 C

5 5

3 10

Pero no podemos desalojar la célula de esa manera. En cambio, nos está permitido utilizar anticuerpos dirigidos contra proteínas del citoesqueleto…Si hemos preparado unos anticuerpos que puedan llevar moléculas de un colorante fluorescente, las estructuras a las que quedan unidos se cubrirán de una capa de pintura fluorescente. Al iluminar con la luz ultravioleta la célula así coloreada, el armazón entero del citoesqueleto, revestido de anticuerpos, aparecerá brillante sobre un fondo oscuro, como si estuviese trabado por tubos de neón…

a) ¿En qué zonas del cilio se han realizado los cortes A y B? Identifica las imágenes C y D e indica cuál de ellas corresponde al corte A y cuál al corte B.

Las células capturan, envuelven y engullen objetos voluminosos, emiten pseudópodos que posteriormente se retraen, expulsan el contenido de gránulos almacenados… los flagelos vibran en movimientos espirales; con sus cilios en agitación permanente producen corrientes a su alrededor. ¿Qué tiene que ver el citoesqueleto con todo este frenético movimiento?».

c) El corte transversal D coincide con el corte transver sal de un orgánulo presente en las células anima les. ¿De qué orgánulo se trata, dónde se localiza y qué funciones desempeña?

Christian De Duve, La célula viva. Ed. Labor.

b) Asigna a cada número que aparece en las imágenes C y D el componente que le corresponde: membrana plasmática, túbulo A, túbulo B, túbulo C, dineína, varilla central, vaina interna, nexina, filamentos ra diales, microtúbulos centrales y láminas radiales.

5 Identifica las clases de uniones celulares señaladas con números y explica las funciones que desempeñan:

¿Cuál de las siguientes estructuras no está formada por elementos del citoesqueleto?

a) Microfilamentos de actina. b) Microtúbulos. c) Fibras de cromatina. 1

d) Centriolos. 2 La estructura constituida por nueve parejas de micro túbulos formando un cilindro y otros dos en el centro, (9 × 2 + 2) corresponde… a) A un centriolo. b) Al axonema (tallo) de un cilio o flagelo. c) Al cuerpo basal de un cilio o flagelo. d) A un centrosoma. 3 El taxol y la colchicina son fármacos anticancerígenos que actúan fijándose a la tubulina, de modo que im piden la formación o el crecimiento de microtúbulos. Justifica razonadamente la acción anticancerígena de ambos medicamentos. ¿Afectarán a otras células ade más de a las cancerosas? ¿Qué es la tubulina? Cita dos orgánulos o estructuras celulares formadas con micro túbulos.

sITUACION DE APRENDIZAJE

«La morfología celular, manifestada en esa variedad inacabable de pliegues superficiales, salientes e invaginaciones que nos revela, con realismo, el microscopio electrónico de barrido, está determinada, en buena parte, por una intrincada red de andamios de fibras sólidas que se entrecruzan y tubos huecos; fibras y tubos constituyentes del citoesqueleto.

6 El esquema muestra el detalle de la estructura de una microvellosidad intestinal. Identifica los elementos señalados con letras y explica las características y las funciones que desempeñan las estructuras A. B

7 Membrana plasmática, citosol y citoesqueleto 175

debate Y Descubrimiento de la endocitosis dependiente de clatrina En 1972 Michael Brown y Joseph Goldstein comenzaron a estudiar la hipercolesterolemia familiar, enfermedad genética que se caracteriza porque los pacientes presentan unos niveles de colesterol sérico muy elevados y sufren una predisposición a padecer infartos en edades más tempranas que los individuos normales.

OPINA

Así, unos experimentos que se iniciaron con el objetivo de comprender la regulación de la biosíntesis del colesterol condujeron a descubrir la principal ruta por la que las células eucariotas captan macromoléculas específicas.

La hipótesis de trabajo de estos investigadores era que la superproducción de colesterol en estos enfermos se debía a un defecto en la enzima HMG-CoA-reductasa, responsable de la síntesis de colesterol en las células, o en su regulación. Para comprobar esta hipótesis compararon el comportamiento de células de pacientes y el de células normales en presencia de colesterol. Los resultados fueron sorprendentes, porque demostraron que la enfermedad no estaba relacionada con una anomalía de la enzima como ellos creían, sino que se debía a que, a diferencia de las células normales, las de los enfermos eran incapaces de obtener colesterol del medio extracelular. En 1974, Brown y Goldstein demostraron que la hipercolesterolemia familiar se debía a un defecto en el receptor (que es una proteína de transmembrana) responsable de la captación de colesterol por las células. La identificación de ese receptor llevó a una serie de experimentos mediantes los cuales Brown y Goldstein describieron la ruta de la endocitosis dependiente de clatrina.

Brown y Goldstein. Recibieron en 1985 el Premio Nobel de Medicina por sus descubrimientos sobre el receptor de colesterol y su papel en el control del metabolismo del colesterol. La mayor parte de nuestros conocimientos sobre el impacto del colesterol en las enfermedades cardiovasculares procede de sus trabajos.

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❚ Recursos

Elabora un trabajo sobre el proceso de contracción celular en un procesador de textos o en un programa de presentaciones digitales en el que se recojan los aspectos más importantes en relación con el tema propuesto.

Consulta libros, prensa y revistas, y visita las siguientes páginas webs:

❚ Proceso

http://www.asturnatura.com/articulos/articulos.php#lecciones-biologiageneral http://www.e-histologia.unileon.es/citologia/Cel_animales/data/start.htm http://campus.usal.es/~histologia/practica/1-la%20celula/celula.htm https://www.youtube.com/watch?v=2YCgro6BV8U

Reúne información sobre los siguientes temas:

https://www.youtube.com/watch?v=tO-W8mvBa78

Célula muscular estriada.

https://www.youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y

Estructura del sarcómero. Mecanismo molecular de la contracción muscular. Microfilamentos o filamentos de actina. Motores moleculares.

176

ARN polimerasa II transcribiendo ADN en ARN.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 1 Genética molecular 2 Replicación de la doble hélice:

biosíntesis del ADN 3 Replicación del ADN en bacterias 4 Replicación del ADN en células eucariotas

5 Del gen a la proteína 6 La expresión de los genes 7 transcripción en eucariotas: La

síntesis del ARNm en el núcleo 8 Transcripción y retrotranscripción en virus 9 El genoma

«... Las enzimas son como los obreros de una cadena de montaje, cada una especializada en un trabajo molecular concreto... Pero las enzimas no dirigen el espectáculo. Reciben sus instrucciones —y de hecho ellas mismas son construidas así— mediante órdenes enviadas por los que controlan. Las moléculas que mandan son los ácidos nucleicos. Viven secuestrados en una ciudad prohibida en lo más profundo de todo, en el núcleo de la célula». Carl Sagan, Cosmos. Ed. Planeta

1 GENÉTICA MOLECULAR La metodología experimental de la genética clásica se remonta desde el fenotipo al genotipo, es decir, desde las funciones que desempeñan las proteínas hasta los genes responsables de su síntesis. La genética molecular utiliza la vía inversa, pues parte del genotipo (conoce la secuencia de bases de un gen) y deduce el fenotipo (la secuencia de aminoácidos de una proteína que desempeña una actividad biológica determinada).

Cigoto

Embrión

Eritrocito

Célula pigmentada del iris

Neurona

Genotipo y fenotipo. Las células embrionarias poseen el mismo genotipo (los mismos genes), ya que proceden de mitosis sucesivas del cigoto; pero no todas manifiestan el mismo fenotipo, pues los genes no se expresan por igual en cada una de las células cuando se especializan y forman parte de un tejido. Por ejemplo, los genes para la hemoglobina solo se expresan en los eritrocitos.

La genética clásica ha dado respuesta al interrogante sobre el tipo de condensa ción que deben experimentar los caracteres de los progenitores para que pue dan ser transmitidos a través del óvulo de la madre y del espermatozoide del padre. Pero la genética molecular continúa haciéndose preguntas sobre el tipo de descondensación que deben experimentar estos caracteres heredados duran te el desarrollo embrionario del cigoto, hasta convertirse en los caracteres de los descendientes. ¿Qué son los genes? ¿Qué tipo de información contienen? ¿Cómo se expresa esa información durante el desarrollo embrionario para que se manifiesten las carac terísticas heredadas en los descendientes? La genética molecular da respuesta a estos interrogantes cuando descubre la relación existente entre las proteínas y los ácidos nucleicos. Desde principios de los años cuarenta hasta la década de los setenta del siglo pasado se sucedieron una serie de brillantes experimentos con nuevos materiales biológicos, como la bacteria Escherichia coli, que permitieron identificar la naturaleza molecular del gen. Se demostró que los genes no eran proteínas, como sostenían algunos investigadores, sino moléculas de ADN. Se diseñó un modelo de la molécula de ADN en forma de doble hélice que describía perfectamente su estructura química y permitía explicar las dos funciones esenciales del gen: almacenar y expresar la información necesaria para que un individuo desarrolle todos los caracteres y transmitir esa información de generación en generación. El ADN se replica y heredamos copias del ADN paterno y materno (el genotipo), en cuyas moléculas se localizan los genes. Estos poseen mensajes codificados y, cuando se expresan (se transcriben y se traducen) se forman las diversas proteínas, que vienen a ser como los peones que ejecutan sus órdenes y ponen de manifiesto los caracteres heredados (el fenotipo).

Doble hélice de ADN

Genotipo AA o Aa

Mutación

Genotipo aa

Transcripción

Transcripción ARNm*

ARNm Traducción

Hebras molde

S Hebras hijas

Enzima Melanina

Sustrato

276

Enzima mutada No melanina

Sustrato

Fenotipo pigmentación normal

Esquema de la replicación del ADN. «No se nos ha escapado a nuestra atención que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia del DNA». J. H. Watson y F. Crick.

Traducción

Fenotipo albino

Genotipo responsable del fenotipo albino. Los individuos de genotipo recesivo aa poseen los dos alelos mutados y no producen la enzima funcional responsable de la síntesis de melanina, por lo que son albinos. Los genotipos dominantes AA o Aa son responsables del fenotipo pigmentación de la piel normal ya que poseen al menos una copia del alelo A, que es normal y, cuando se expresa, da lugar a la enzima que cataliza la síntesis de melanina.

HISTORIA DE LA

CIENCIA

Tras la pista de la naturaleza molecular del gen

¿Qué metodología experimental utiliza la genética molecular?

2 ¿Por qué era errónea la teoría del tetranucleótido?

Durante mucho tiempo se creyó que los genes debían ser proteínas, ya que eran mucho más complejas y variadas que las simples moléculas de ADN formadas solo por cuatro tipos de bases nitrogenadas, fósforo y un azúcar. La teoría errónea del tetranucleótido suponía que cualquier región del ADN era exactamente igual a cualquier otra, por lo que no podía contener genes diferentes. Algunos científi cos se aferraban a la siguiente idea: puesto que los genes debían controlar pro cesos complejos, los candidatos preferidos para genes debían ser también mo léculas complejas, como las proteínas.

3 ¿Qué demostró el experimento de Griffith realizado en 1928?

La primera prueba de que los genes estaban formados por ADN procede de los experimentos de transformación bacteriana realizados por el bacteriólogo F. Gri ffith en 1928. Griffith comprobó que una cepa bacteriana de Diplococcus pneumoniae (actualmente Streptococcus pneumoniae), que es inocua cuando se in yecta en los ratones, se transforma en cepa virulenta capaz de provocar la muerte de estos si previamente ha estado en contacto con bacterias virulentas muertas y destruidas por el calor. En 1944, los investigadores Avery, McLeod y McCarthy identificaron que el factor transformante descubierto por Griffith era el ADN. Sin embargo, una buena parte de la comunidad científica permaneció escéptica y hubo que esperar hasta 1952, cuando Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron de manera irrefutable que es el ADN y no las proteínas la molécula portadora de la información genética. Una vez conocida la naturaleza química del gen, se planteó la necesidad de des cubrir la estructura molecular del ADN, con el fin de averiguar cómo están codifi cados los mensajes genéticos que definen la esencia del gen. La aplicación de la metodología bioquímica y biofísica a la genética abrió nuevos horizontes, hasta que el problema quedó resuelto cuando J. Watson y F. Crick, publicaron en 1953 su modelo de la doble hélice del ADN en la revista Nature. Este modelo fue asu mido por la genética molecular por su capacidad de explicar las dos funciones básicas del material hereditario: obtener réplicas que se transmiten a la descen dencia, abriéndose como una cremallera, y almacenar información codificada en un idioma de cuatro letras para la síntesis de proteínas. R vivas 1

2 S

S muertas

= S+R

Inyección de bacterias S virulentas

Inyección de bacterias R no virulentas

El ratón muere por neumonía

El ratón no muere

Inyección de bacterias S muertas mediante calor

El ratón no muere

Inyección de una mezcla de bacterias S muertas y R vivas

S vivas

El ratón muere por neumonía

Experimento de Griffith: demostración de la existencia del factor transformante. 1) Las cepas de bacterias virulentas que provocan la muerte del ratón por neumonía se designan con la letra S (Smooth). 2) Las cepas inocuas no provocan la muerte del ratón y se designan con la letra R (Rough). 3) Las bacterias S, calentadas y destruidas por calor, no provocan neumonía. 4) La inyección de una mezcla de bacterias S destruidas por calor y bacterias R produce la muerte del ratón. Se debe a que los cultivos de bacterias S destruidas por calor contienen un factor transformante (ADN) que modifica a algunas bacterias R en bacterias S.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 277

2 REPLICACIÓN DE LA DOBLE HÉLICE: BIOSÍNTESIS DEL ADN Para transmitir los mensajes génicos en una misma célula, la información fluye desde el ADN al ARN (transcripción) y desde este a las proteínas (traducción). Pero la información contenida en los genes también debe transferirse desde una célula progenitora a toda su descendencia, pues una de las características funda mentales que ha de tener el material genético es que sea capaz de copiarse a sí mismo, exacta y fielmente, proceso que se lleva a cabo mediante la replicación del ADN, un mecanismo que permite a las células hijas contener la misma infor mación génica que la célula madre de la que proceden. El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas. Pero ¿cómo es posible que una doble hélice se copie a sí misma? Watson y Crick ya indicaron: «No se nos ha escapado observar que el aparea miento específico de bases que hemos postulado sugiere de inmediato un posi ble mecanismo de copiado para el material genético». Durante la replicación del ADN, cada hebra se separa y actúa como molde o patrón para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementaria. La complementariedad entre las bases (G-C y A-T), al igual que en los demás procesos que transmiten información (transcripción y traducción), constituye la esencia de la replicación.

Modelo de replicación del ADN. La doble hélice de ADN parental rompe los puentes de hidrógeno entre sus bases, como si una cremallera se desabrochara.

Por esta razón se denomina más correctamente replicación y no duplicación, pues hacer una réplica de un molde supone obtener una copia complementaria, mien tras que duplicar un molde significa hacer una copia idéntica.

4 ¿En qué consiste el método de pulso y caza utilizado en la autorradiografía?

La replicación del ADN se dice que se ajusta a un modelo semiconservativo, pues en la doble hélice de cada célula hija se conserva una cadena original de la célula madre (el molde); la otra cadena se sintetiza de nuevo.

EVIDENCIA EXPERIMENTAL Autorradiografía La técnica autorradiográfica se suele utilizar para deter minar la región específica de una célula o de un tejido en la que se localiza un compuesto marcado isotópicamente. Para ello utiliza el método de pulso y caza: se suministra al organismo en la dieta o en el medio de cultivo una biomo lécula que lleva incorporado un isótopo radiactivo (aminoá cido-14C, timidina-3H, uridina-3H, etc.), lo que constituye el pulso (1). Más tarde, la caza consiste en localizar la zona donde existe radiactividad. 1

Preparación microscópica con isótopo radiactivo

Emulsión fotográfica

Partículas de Ag+

3 Partículas de Ag metálica (Ag+ b

33H H

Soporte 1) Las células incorporan el isótopo radiactivo, suministrado en la dieta o en el medio de cultivo. 2) Se realiza una preparación microscópica y se tiñe con colorantes específicos de la microscopía óptica o electrónica. A continuación, se cubre la preparación con una fina capa de emulsión fotográfica sensible a la radiación y se protege de la luz.

278

H conHotras técnicas, La autorradiografía puede combinarse como la cromatografía y la electroforesis, y también con la microscopía óptica y electrónica. Las preparaciones micros cópicas (2) necesitan métodos de tinción específicos para poner de manifiesto las diferentes estructuras celulares. Al mismo tiempo, los componentes celulares que han incorpo rado el isótopo radiactivo se delatan y manifiestan su pre sencia en determinadas zonas porque se autofotografían, es decir, se fotografían a sí mismos (3). Ag0) Emulsión revelada

4 RER

3) Al cabo de varios días se revela la emulsión fotográfica, que elimina todos los granos de plata de la emulsión, excepto los situados sobre los puntos radiactivos (a), que aparecen de color negro (b). 4) Por último, la preparación teñida y revelada se observa con el microscopio, en este caso, electrónico (MET): esta célula incorporó el aminoácido lisina-3H y la autorradiografía muestra dónde tiene lugar las síntesis de proteínas (granos negros en el RER).

3 REPLICACIÓN DEL ADN EN BACTERIAS La síntesis de las dos nuevas cadenas de ADN es un proceso similar al revelado fotográfico, pues a partir de un negativo (las hebras molde del ADN parental) se obtiene un positivo (las copias). La replicación del cromosoma bacteriano (doble hélice de ADN circular) comienza cuando se forma una burbuja de replicación, que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación, en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria.

OriC

Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Finalmente, al cabo de unos 30 minutos, los dos nuevos cromosomas genéticamente idénticos se separan.

Horquilla de replicación

Este proceso de replicación del ADN en bacterias (Escherichia coli), como vere mos a continuación, comienza en un punto y se desarrolla en tres etapas: apertura y desenrollamiento de la doble hélice, síntesis de dos nuevas cadenas de ADN y, por último, corrección de los errores.

3.1 APERTURA Y DESENROLLAMIENTO DE LA DOBLE HÉLICE

Proteínas SSBP Burbuja de replicación Girasas y topoisomerasas

La separación de las cadenas en Escherichia coli comienza en un punto concreto del cromosoma denominado oriC, rico en secuencias GATC, que marca el origen de replicación.

Helicasas

Horquilla de replicación

A partir del origen de replicación se forman unas estructuras, conocidas como burbujas de replicación, que se extienden a lo largo del cromosoma, en sentidos contrarios, y dan lugar a dos horquillas de replicación (por su forma de Y), donde las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes o patro nes para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN: por esta razón se dice que la replicación es bidireccional.

Hebra molde

Para que la doble hélice se desenrolle sin que las hebras circulares acaben en redándose en un ovillo, interviene un conjunto de proteínas y enzimas que, junto con las enzimas ADN-polimerasas, constituyen un aparato molecular de replica ción denominado replisoma:

Nueva cadena de ADN

En primer lugar actúan las enzimas helicasas que facilitan el desenrollamiento de la doble hélice que se abre como una cremallera y, para eliminar las tensio nes generadas por la torsión de las dos hebras al desenrollarse, intervienen, además, enzimas girasas y topoisomerasas. Luego, las proteínas SSBP (de single-strand binding protein, proteínas de unión a la cadena sencilla) se unen a las hebras molde del ADN para estabilizarlas y que no se vuelvan a enrollar. 4

Punto oriC

OriC

ADNpolimerasa III ARN cebador ADNpolimerasa III

5’

Proteínas SSBP

Girasas y topoisomerasas

Helicasas

Replicación del ADN en procariotas. Comienza en el punto oriC, a partir del cual se forma una burbuja de replicación que da lugar a dos horquillas de replicación.

5 ¿Qué es el punto oriC? 3

Replicación del cromosoma bacteriano. Comienza cuando se forma una burbuja de replicación (1), que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación (2), en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación (3). Finalmente, los dos nuevos cromosomas se separan (4).

6 ¿Cómo se evita que hebras circulares del ADN acaben enredándose en un ovillo durante la etapa del desenrollamiento?

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 279

3.2 SÍNTESIS DE DOS NUEVAS CADENAS DE ADN

Una vez formada la burbuja de replicación, ya pueden actuar las enzimas ADN-polimerasas que leen la secuencia de cada una de las cadenas y elaboran dos copias con secuencias complementarias. En procariotas, existen varias enzimas con actividad ADN-polimerasa, de las cua les destacan tres: la ADN-polimerasa I (descubierta por Arthur Kornberg), y la ADN-polimerasa III, que se encargan de la replicación y de la corrección de erro res y la ADN-polimerasa II, que solo lleva a cabo la reparación del ADN dañado por determinados agentes físicos. De ellas, la ADN-polimerasa III es la que realiza la mayor parte del proceso, de manera similar a como lo hace la ARN-polimerasa II durante la transcripción en eucariotas:

Experimento de John Cairns. Cultivó bacterias E. coli en un medio que contenía desoxirribonucleótidos de timidina marcados con el isótopo radiactivo 3H (tritio) en lugar de 1H (protio). Después de la primera generación, y a mitad de la siguiente, interrumpió la replicación. En esta autorradiografía quedó plasmada la «huella» de la molécula de ADN parcialmente replicado (1), «sorprendida» a mitad de su segundo ciclo de replicación. Cairns dedujo que el ADN de E. coli es circular y la replicación es semiconservativa.

❮RAZONA❯ El dibujo siguiente muestra una burbuja de replicación en E. coli. ▪ Indica los nombres correspondientes a las letras a, b, c, d, e, f y g. 3’

5’

Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleó tido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde. Si el nucleótido trifosfato seleccionado es, en efecto, el complementario, cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena de ADN en formación mediante un enlace fosfodiéster, para el que utiliza la energía desprendida en la hidrólisis. Esta etapa la resumen M. Radman y R. Wagner con la siguiente comparación: «La enzima ADN-polimerasa sería como el cocinero ciego que toma los ingredientes al azar, saborea cada uno y decide si lo vierte en la sopa o lo devuelve a la alacena». P Hidrólisis

5’

5’ P

5’ 3’ e

g f

5’ 3’ 5’

3’

5’

280

3’

OriC

3’ 5’

Replicación bidireccional

3’ c 5’

3’ HO

OH 3’

A Apareamiento de bases

T P

Hebra molde

5’ P

Resto de pirofosfato ADNpolimerasa III

5’

3’ HO

Nucleótido trifosfato

Hebra réplica

3’ a

A P

P P

2 P

OH 3’ Dirección de la replicación

A A

T P

A P

T P

5’

Actividad de la enzima ADN-polimerasa III. Las enzimas ADN-polimerasas solo pueden adicionar nucleótidos al extremo hidroxilo 3’ de una cadena previamente formada, es decir, pueden elongar una cadena de ADN pero no pueden iniciarla. ●●●

Problemas que debe resolver la enzima ADN-polimerasa III

La enzima ADN-polimerasa III debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica: el inicio de la síntesis y el sentido de lectura de la hebra molde. Inicio de la síntesis. El primer problema planteado se debe a que la ADN- polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo pueden elongarla, pues para adicionar desoxirribonucleótidos requiere una cadena previamente formada que suministre un grupo hidroxilo (–OH) 3’ que esté libre: para ello necesita la colaboración de una enzima ARN-polimerasa.

Fragmento de Okazaki

OBSERVA La ADN-polimerasa III necesita la colaboración de una enzima ARNpolimerasa que sintetiza ARN y actúa como iniciador de la síntesis de ADN

Inicio de la síntesis de ARN cebador o primer

3’

T A

T ARNpolimerasa

G A

ARNpolimerasa

3’

ARN primer

3’ 5’

ARN primer Fragmento de Okazaki

3’ 5’

ADN

5’ 3’ 5’ 3’

3’

Elongación del fragmento de Okazaki a partir del ARN primer

3’ Comienza la síntesis de un nuevo fragmento de Okazaki

ADN polimerasa III

5’

5’ 3’

P P P

5’

5’ 3’

La ADN-polimerasa III sintetiza ADN y alarga el fragmento de Okazaki a partir del primer

P P P

5’

P P P

Finaliza la síntesis del primer

ARN primer

3’ 5’

La síntesis de una nueva cadena de ADN comienza con un corto fragmento de ARN, llamado cebador (primer), que proporciona extremos hidroxilo 3’ libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos: se sintetiza mediante una enzima ARN-polimerasa, llamada primasa, que actúa como iniciador de las réplicas y se elimina posteriormente del ADN formado. Hebra molde

5’ 3’

Hebras molde

Hebra de ADN réplica

5’ 3’ 5’ 3’

Hebra retardada

3’ 5’

5’

Síntesis de una nueva réplica de ADN. La enzima ARN-polimerasa sintetiza el ARN primer, sobre el que puede actuar la ADN-polimerasa III, que adiciona nuevos nucleótidos y elonga la cadena.

3’

3’ 5’ Comienza la síntesis de un nuevo fragmento de Okzaki

Hebra conductora

Sentido de lectura de la hebra molde. En segundo lugar, la ADN-polimerasa III solo «sabe leer» las secuencias de las hebras molde en el sentido 3’ → 5’, mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en el sentido 5’ → 3’. Por tanto, de las dos hebras molde del ADN, la que está orientada en el sen tido 3’ → 5’ es copiada de manera continua por esta enzima, y la nueva répli ca, que crece en el sentido 5’ → 3’, recibe el nombre de hebra conductora o líder. Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5’ → 3’, no puede leerse en este sentido por la ADN-polimerasa III. ¿Cómo se copia, entonces, esta hebra? Bien, pues este problema se soluciona abriendo porciones de la hebra molde suficientemente grandes que permitan a la enzima ir retrocediendo para poder leer en el sentido adecuado y así sinte tizar pequeños fragmentos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki.

5’ 3’

Apertura de la horquilla de replicación del ADN. Permite la síntesis de la hebra conductora, de manera continua, y la síntesis de la hebra retardada mediante fragmentos de Okazaki. La ADN-polimerasa III sintetiza ADN y alarga cada fragmento de Okazaki a partir del ARN primer.

7 ¿Por qué la enzima ADN- polimerasa III no puede iniciar la síntesis de una nueva cadena de ADN?

Estos fragmentos crecen en el sentido 5’ → 3’ y, más tarde, se unen para formar la otra réplica, que recibe el nombre de hebra retardada porque tarda más tiempo en sintetizarse, ya que la enzima debe esperar a que la horquilla de re plicación se vaya abriendo lo suficiente para retroceder y volver a comenzar su trabajo.

8 ¿Qué son los fragmentos de Okazaki?

Tanto la hebra conductora como los fragmentos de Okazaki comienzan con la síntesis del ARN primer, que posteriormente se elimina.

9 ¿En qué se diferencia la hebra conductora o líder de la hebra retardada?

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 281

●●●

Hebra conductora y hebra retardada

Las diferentes etapas de la replicación del ADN se pueden resumir en el esquema que se expone a continuación: La hebra conductora se sintetiza con mayor rapidez debido a que las enzimas primasa y ADN-polimerasas I y III actúan una sola vez, al principio de la réplica. La hebra retardada se sintetiza de forma discontinua, como un «pespunte», mediante un proceso que requiere la colaboración de varias enzimas y en el que pueden distinguirse las etapas 1, 2, 3 y 4.

ADNpolimerasa III

ADNpolimerasa I

ADN-ligasa

5’

Hebra molde (5' → 3')

3’

Hebra retardada (3' → 5')

ARN-polimerasa (primasa)

Proteínas SSBP

Helicasas

ADN

5’ 5’

ADN

Fragmentos del ARN cebador

Fragmentos de Okazaki ARN cebador o primer

3’ 3’

Hebra conductora (lider) (5' → 3')

Girasas y topoisomerasas

ARN cebador o primer

ADNpolimerasa III

Hebra molde (3' → 5')

5’ 3’

HISTORIA DE LA

CIENCIA

Tsuneko y Reiji Okazaki La bióloga molecular Tsuneko Okazaki (1933), junto con su ma rido Reiji Okazaki (1930-1975), también biólogo molecular, tra bajaron en diferentes proyectos de investigación en los labora torios de J. L. Strominger y A. Kornberg. Años más tarde, des cubrieron los fragmentos de Okazaki y el modelo de replica ción discontinua de la hebra re tardada del ADN. Reiji Okazaki murió joven de leucemia por haber estado expuesto a la radiación de la bomba atómica en Hiroshima. Tsuneko Okazaki continuó sus investigaciones para determi nar la estructura del ARN ceba dor. Ha sido profesora e inves tigadora en varias universida des y recibió, entre otros, el Premio L’Oréal-UNESCO.

282

Modelo de horquilla de replicación del ADN en Escherichia coli. 1) Cada fragmento comienza cuando una ARN-polimerasa, llamada primasa, fabrica una corta cadena de ARN cebador (primer). 2) Esta cadena es alargada por la ADN-polimerasa III, que sintetiza un pequeño trozo de ADN hasta completar un fragmento de Okazaki. 3) Más tarde actúa la ADN-polimerasa I, cuya actividad exonucleasa elimina el ARN cebador de cada fragmento (a), y el hueco que queda es rellenado por la ADN-polimerasa I, que sustituye el ARN cebador por ADN, con una secuencia complementaria a la del molde (b). 4) Por último, interviene una enzima ADN-ligasa para unir los diferentes fragmentos hasta formar la hebra retardada.

3.3 CORRECCIÓN DE LOS ERRORES La replicación del ADN es un proceso más complejo que la transcripción, por la necesidad de mantener al máximo la fidelidad de la copia. La actividad de las enzimas ADN-polimerasas debe ser exacta, rápida y fiel, pues la vida entera y su continuidad dependen de que la información genética se transmita con fidelidad de generación en generación. Por esta razón intervienen más de 50 proteínas diferentes agrupadas en un com plejo multienzimático del tamaño de un ribosoma, llamado replisoma, que inclu ye además de las proteínas y enzimas mencionadas anteriormente, a las enzimas correctoras. La enzima principal, la ADN-polimerasa III, cataliza la polimerización de los nucleótidos y está «escoltada» por una legión de «comadronas desconfia das» que saben por experiencia que los errores en la síntesis son inevitables pero pueden corregirse. Los mecanismos enzimáticos que detectan y corrigen las secuencias erróneas en la nueva cadena de ADN y son los responsables de la fide lidad de la replicación son de dos tipos: la corrección de pruebas y la corrección posreplicativa.

●●●

❮RAZONA❯

A ctividad autocorrectora de la ADN-polimerasa: corrección de pruebas

El genoma de E. coli contiene 4,6 · 106 pares de bases.

Las enzimas ADN-polimerasa I y III, además de polimerizar, son autocorrectoras, ya que realizan una doble lectura: después de cada proceso de polimerización, la ADN-polimerasa «mira» hacia atrás antes de incorporar el nucleótido siguiente y, si detecta un error en el apareamiento, elimina el último nucleótido (posee actividad exonucleasa) y vuelve a introducir el nucleótido adecuado. Ella misma corrige las pruebas de su «manuscrito».

▪ ¿Cuál es la probabilidad de que aparezca un error de apareamiento en una generación de E. coli?

La selección de nucleótidos por las ADN-polimerasa I y III y su actividad autoco rrectora (actividad exonucleasa de corrección de pruebas) constituyen los princi pales mecanismos de prevención de errores. El uso de cebadores de ARN, por la incapacidad de las ADN-polimerasas de iniciar una nueva cadena, parece ser que contribuye a incrementar la fidelidad de la copia, pues suelen ser los prime ros nucleótidos los que presentan errores de apareamiento con mayor frecuencia.

▪ ¿Cuántos errores de apareamiento se acumularían en el genoma de E. coli cada vez que se replica, si no existiesen mecanismos autocorrectores (corrección de pruebas) ni corrección posreplicativa?

En E. coli, la actividad de las enzimas ADN-polimerasas I y III comete un error de apareamiento por cada 106 nucleótidos adicionados. La posterior actividad autocorrectora de estas mismas enzimas (lectura o corrección de pruebas) reduce el error de apareamiento a uno por cada 108 nucleótidos adicionados.

●●●

Adeninas metiladas (cadena molde)

Corrección posreplicativa: reparación del mal apareamiento

Para aumentar todavía más la precisión de la replicación, existe una maquinaria enzimática que corrige los posibles errores cometidos por las ADN-polimerasas I y III en el ADN recién sintetizado, que se denomina corrección posreplicativa. La corrección posreplicativa incrementa unas 100 veces la exactitud de la réplica, con lo que se alcanza la increíble perfección de un error por cada 1010 pares de bases.

GA T C

GA T C GA T C GA T C C T AG

G G G T

GA T C GA T C GA T C C T AG

C T AG C T AG C T AG

Error T T de apareamiento T

C T AG C T AG C T AG

GA T C

Esta corrección se realiza por medio de enzimas correctoras, agrupadas en el replisoma, que detectan el nucleótido mal emparejado, lo eliminan y regeneran la secuencia correcta del siguiente modo: Para detectar el nucleótido mal apareado, el aparato de corrección debe reco nocer la cadena recién sintetizada, donde se encuentra el error, y diferenciarla de la cadena molde. Ambas cadenas son complementarias, pero mientras que la hebra molde (parental) tiene metiladas las adeninas de las secuencias GÅTC, existe un lapso de tiempo durante el cual las adeninas de las secuencias GATC de la hebra réplica permanecen aún sin metilar, y en este intervalo el complejo multienzimático reparador recorre las hebras del ADN y descubre los posibles errores en la cadena que todavía no está metilada, que corresponde a la nueva hebra réplica. La eliminación se realiza mediante una enzima endonucleasa que corta el seg mento en el lugar donde se encuentra el nucleótido mal apareado. Por último, la secuencia correcta se regenera cuando la ADN-polimerasa I re llena el hueco utilizando como molde la cadena parental complementaria: en tonces el extremo 3’ del nuevo segmento se une con el extremo 5’ de la hebra réplica por acción de una enzima ADN-ligasa.

10 Indica el orden de actuación de las siguientes enzimas y proteínas durante el proceso de replicación del ADN: a) ADN-polimerasa I. b) ADN-polimerasa III. c) Helicasas. d) ARN-polimerasa. e) Topoisomerasas. f) Proteínas SSBP. g) ADN-ligasa.

GA T C

Desenrollamiento de la secuencia errónea G

G G G

GA T C GA T C GA T C C T AG C T AG C T AG C T AG

GA T C

T T T Endonucleasa T

ADN-polimersa I G

GA T C GA T C GA T C GA T C C T AG C T AG C T AG C T AG

GA T C

GA T C GA T C GA T C C T AG

G G G C

GA T C GA T C GA T C C T AG

C T AG C T AG C T AG

C C C T

C T AG C T AG C T AG

Eliminación de la secuencia G A T Cincorrecta GA T C GA T C GA T C C T AG

C T AG C T AG C T AG

T T T G

GA T C

G G G C

GA T C GA T C GA T C C T AG

C C C

C T AG C T AG C T AG

ADN-ligasa

Mecanismo de corrección posreplicativa de errores de apareamiento.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 283

4 REPLICACIÓN DEL ADN EN CÉLULAS EUCARIOTAS Girasa y topoisomerasa Helicasa

ADNpolimerasa ∈

Hebra molde

ADNpolimerasa α ADNpolimerasa δ

Hebra molde

ADNpolimerasa β

Fragmento de Okazaki

Hebra retardada

Hebra conductora

Histona antigua

Histona nueva

Horquilla de replicación del ADN en eucariotas. Se requiere, además, la síntesis de histonas que formarán los nuevos nucleosomas, los cuales se incorporan aleatoriamente, tanto a la hebra retardada como a la hebra conductora.

HISTORIA DE LA

La replicación del genoma eucariota transcurre en la fase S del ciclo celular de modo similar a la de los procariotas: es semiconservativa y bidireccional; la hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada de manera discontinua, en forma de fragmentos de Okazaki que luego se unen; y también se requie re un ARN cebador para que se inicie la replicación del ADN. Sin embargo, la replicación en eucariotas presenta ciertas características peculiares: Existen distintos tipos de ADN-polimerasas (pol), de los cuales destacan cinco: pol 𝛂 sintetiza el ARN cebador de la hebra conductora y de los fragmentos de Okazaki de la hebra retardada, seguido de la elongación de unos 25 nucleóti dos de ADN en cada una de las cadenas; pol 𝛅 continúa la elongación de los fragmentos de Okazaki en la hebra retardada (se unen mediante una ADN liga sa); pol ∈ hace lo mismo en la hebra conductora; pol 𝛄 replica el ADN mitocon drial y pol 𝛃 repara. En el cromosoma eucariota, el ADN se encuentra asociado con los octámeros de histonas, en forma de nucleosomas, por lo que, además de replicarse el ADN, deben duplicarse también las histonas. Al parecer, tanto los nuevos nu cleosomas como los antiguos se reparten de manera aleatoria entre las dos nuevas hebras hijas: en la retardada y en la conductora. El genoma eucariota consta de varios cromosomas lineales con un total de unos 3 × 109 pares de bases. Si se replicase al ritmo que en E. coli (30 minutos), tardaría 30 000 minutos, es decir, unas 3 semanas. La replicación del ADN tiene lugar en la fase S del ciclo celular (A) y, para que el proceso solo tarde unas pocas horas, en cada cromosoma eucariota se forman numerosas burbujas de replicación (B). En el genoma humano, por ejemplo, pueden existir unos 30 000 puntos de inicio, lo que acelera en gran medida el proceso de replicación. Origen de replicación

A M

G1 G0

CIENCIA

Interfase

E. Blackburn y C. Greider Elizabeth Blackburn, bioquími ca australiana (1948), y Carol Greider, bioquímica estadouni dense (1961), fueron galardo nadas en 2009, junto con Jack Szostak, con el Premio Nobel de Medicina por el descubri miento de la enzima telomera sa. La perseverancia y el rigor experimental de C. Greider, forjados en su lucha contra una dislexia severa, fueron decisi vos para que sus investigacio nes, junto a su mentora E. Blac kburn, condujeran al descubri miento de la telomerasa y su relación con el envejecimiento y el cáncer (las células cancero sas evitan la apoptosis produ ciendo más cantidad de esta enzima).

284

Burbujas de replicación

Burbujas de replicación del ADN en cromosomas lineales de células eucariotas.

❮RAZONA❯ ▪ ¿Cuál de estos tres modelos de replicación del ADN se ajusta al tipo semiconservativo?

4.1 TELÓMEROS: ENVEJECIMIENTO Y MUERTE CELULAR

1 5’

Los cromosomas eucariotas son lineales y presentan en sus extremos unas regio nes, denominadas telómeros, constituidas por secuencias repetitivas, del tipo TTAGGGTTAGGG... Cuando se replica el ADN lineal los extremos 5’ de los teló meros no pueden ser replicados. Después de ser eliminado el ARN cebador del extremo 5' de cada una de las hebras recién sintetizadas, el hueco que queda no lo pueden rellenar las enzimas ADN-polimerasas, porque no encuentran extremos hidroxilos 3' libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos.

5’ 3’

2.ª replicación

5’ 3’

3’

5’ 3’

5’

3’

5’ 3’ 5’

5’ 3’

5’

3’

5’ 3’ 5’

3’

5’ 3’

A A

T T

5’

3’

Hueco en el extremo 5´ 2

Telomerasa

5’ T T

T T

A A

T T

3’

A A

5’

A A

5’

3’

Molde de ARN 3

Secuencias repetitivas GGGTTG del telómero

4 3’

5’ T T

T T

A A

3’

T T

5’

T T

Proceso de transcripción inversa 5 3’

5’

3.ª replicación 3’

T T

3’

La imposibilidad de replicar los extremos de cada cromosoma da lugar a que el telómero se vaya acortando en cada ciclo de replicación que ocurre durante la fase S de la división celular. Este acortamiento de los telómeros con la edad está relacio nado con el envejecimiento y la apoptosis o muerte programada de las células. 1.ª replicación

3’

T T

3’ 5’ 3’ 5’

3’

T T

A A

3’

5’

6 ARN primer

3’

5’ T T

T T

A A

3’

Alargamiento del telómero en una unidad de repetición

5’ 3’ 5’

3’

5’

3’ 5’

3’

5’ 3’ 5’

5’ 3’ 3’ 5’

3’

5’ 3’ 5’ 3’

3’ 5’

3’

5’ 3’ 5’

3’

5’

3’ 5’

Acortamiento de los telómeros. Las hebras hijas son cada vez más cortas en sus extremos 5' que sus correspondientes hebras molde. La consecuencia es que los extremos 5' de los telómeros se van acortando en cada proceso de replicación. ●●●

El acortamiento de los telómeros y la apoptosis

Tras varias divisiones, la pérdida de material génico de los telómeros deja al des cubierto los extremos «pegajosos» de los cromosomas; estos se unen unos con otros y se altera su reparto equitativo durante la mitosis. En esta situación, la cé lula activa el mecanismo de apoptosis que provoca la muerte celular. Los telómeros son como un implacable reloj molecular, que con sus sucesivos acortamientos indican a una célula cuántas divisiones celulares son aún posibles hasta que llegue el momento en que debe cesar toda actividad.

●●●

La telomerasa: clave de la inmortalidad

T T

Hueco al eliminar el ARN primer

5’

Actividad de la telomerasa. Los extremos 5’ de cada hebra hija quedan sin rellenar cuando se eliminan los ARN cebadores (1). La enzima telomerasa (2) añade nucleótidos complementarios a su propio molde de ARN (AACCCCAAC) (3) y sintetiza secuencias repetitivas teloméricas (GGGTTG) que alargan los extremos 3’ de los telómeros de cada cadena molde parental (4). Estos extremos añadidos en 3’ actúan como molde (5) para que se sintetice, primero un ARN cebador (6), y luego un fragmento de ADN (7) en cada hebra hija. Cuando se elimine el ARN cebador se formará un nuevo «saliente» en 3’ (8), pero en un telómero que ha sido alargado previamente en una unidad de repetición (9).

El acortamiento de los telómeros es neutralizado por la enzima telomerasa, que permanece activa durante el desarrollo embrionario, en las células madre y en las células cancerosas, lo que las convierte en células inmortales; pero en la mayor parte de las células adultas, que se han diferenciado para formar parte de los te jidos, suele permanecer inactiva. La telomerasa es una ribonucleoproteína que actúa como transcriptasa inversa, ya que contiene una hebra de ARN con la secuencia apropiada para actuar como molde para la síntesis de la secuencia telomérica de ADN, que se le añade a los extremos 3' de cada cromosoma para evitar su acortamiento en cada proceso de replicación.

11 ¿Cómo se reduce el tiempo de replicación en el genoma eucariota? 12 ¿Por qué se llama a la telomerasa la enzima de la inmortalidad?

El acortamiento de los telómeros es un signo de envejecimiento celular.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 285

5 DEL GEN A LA PROTEÍNA — ·· — · · — — — · · — · · · — ESTERNOCLEIDOMASTOIDEO GC-3365-ZZ ATTCGGGTACCGTAACGGT Glu-Asp-Cys-Ser-Ser-Gly-Glu 7303077 ISBN: 978-84-345-6741-2

7 8 8 4 3 45 6 7 4 1 2

El ADN es la molécula portadora de la información transmitida en los genes, y no las proteínas. Pero los genes, es decir, el ADN como tal, tiene escasa acción di recta sobre el funcionamiento del organismo: los genes no transportan oxígeno, no catalizan reacciones para obtener energía ni destruyen a los gérmenes invasores. Son las proteínas las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada individuo su especificidad (el pelo rizado o liso, los ojos azules o negros, la altura, etc.). La casi infinita diversidad de secuencias de aminoácidos posibles convierte a las proteínas en las moléculas más variadas que existen, capaces de construir múltiples estructuras celulares que desempeñan una enorme diversidad de funciones biológicas; en realidad, «somos nuestras proteínas». Por tanto, debe existir algún mecanismo molecular que permita a los genes expresar su información para que se formen las proteínas, que vienen a ser como los robots encargados de ejecutar sus órdenes. Pero ¿qué características tiene la molécula de ADN para actuar como material genético, es decir, para almacenar, expresar y transmitir información?

Almacenamiento de información. Todos estos símbolos (letras, números, figuras, etc.) tienen algo en común que les permite almacenar información: la secuencia, en el sentido de sintaxis o sucesión ordenada de diferentes símbolos, que no es aleatoria sino que significa algo, es decir, que contiene un mensaje.

OBSERVA El idioma del ADN: un lenguaje de cuatro letras Bastan dos signos distintos, como en el lenguaje Morse (A), con un alfabeto de tan solo dos letras (punto y raya) para construir infinidad de mensajes, siem pre y cuando construyamos diferentes secuencias de puntos y rayas, es decir, distintas combinaciones de estos dos símbolos. Igual que con solo dos dígitos (0 y 1) del lenguaje binario se puede almacenar y transmitir toda la información digitalizada. A

13 ¿Por qué se suele afirmar que «somos nuestras proteínas»? 14 Indica qué tienen en común las siguientes sucesiones de símbolos que les permiten almacenar información: ATTCGGTACCGTAACGGT y Glu-Asp-Cys-Ser-Ser-GlyGlu

286

A B C D E F G H I

J K L M N O P Q R

S T U V W X Y Z

Del mismo modo, con cuatro símbolos también se puede construir otro lenguaje: el del ADN (B). El alfabeto de este idioma en el que se expresan los ácidos nuclei cos contiene solo cuatro letras (las cuatro bases A, G, C y T) pero con él se pue den construir infinidad de secuencias y, por tanto, el ADN puede almacenar un número prácticamente infinito de mensajes genéticos: toda la información nece saria para la génesis, el desarrollo y la vida de un organismo se encuentra escrita en forma de código o clave en la secuencia de bases de las cadenas de ADN.

5.1 EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA En general, puede considerarse que un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para que se sintetice una proteína determinada (o una cadena peptídica): la información fluye del ADN al ARNm y de este a la proteína. Pero ¿cómo fluye la información desde el gen hasta la proteína? ¿Cómo se enca denan los aminoácidos en el orden correcto? ¿Existe alguna relación entre la se cuencia de aminoácidos de la proteína y la secuencia de nucleótidos del gen?

EVIDENCIA EXPERIMENTAL

Grupo A Marcado con 35S

Identificación de la naturaleza molecular del gen: experimento de Alfred Hershey y Martha Chase

Grupo B Marcado con 32P

Los virus bacteriófagos (o fagos) contienen ADN y un recubrimiento proteínico lla mado cápside. Cuando el fago infecta a una bacteria, «algo» penetra en el interior de esta y en menos de un minuto la maquinaria metabólica bacteriana comienza a fabricar ADN y proteínas para construir nuevos fagos que acaban por destruir la bacteria. Cápside

El virus infecta la bacteria

ADN

2 32P

Se agita en una mezcladora

Bacteria

Virus bacteriófagos (1) en la superficie de una bacteria (2) (MET).

El «experimento de la batidora» pretendía demostrar si el agente responsable que penetra en la bacteria era el ADN o la proteína. Con el microscopio electrónico resultaba muy difícil obtener la evidencia visual que permitiera identificar directamente cuál era la naturaleza del material hereditario que los virus inyectaban en las bacterias. Por lo que los hechos se tuvieron que demostrar de forma indirecta, mediante el empleo de radioisótopos marcadores. Teniendo en cuenta que el ADN contiene fósforo (P), pero no azufre (S), mientras que en las proteínas ocurre lo contrario, contienen S, pero no P, consiguieron dos tipos de fagos: unos con la cápside proteica marcada con el isótopo radiactivo 35S y otros con el ADN marcado con 32P.

Se separa por centrifugación

Cubierta proteínica marcada con 35S en el sobrenadante

Bacterias en el sedimento

El experimento se desarrolló en varias etapas: 1. Infectaron un grupo de bacterias con fagos-35S (grupo A) y otro grupo con fagos-32P (grupo B). 2. Agitaron los cultivos en una especie de batidora para separar los virus de las superficies de las bacterias.

Los fagos no contienen 32P en su ADN

3. Centrifugaron para separar las bacterias, que sedimentan, de los virus, que que dan en el sobrenadante. 4. Midieron la radiactividad en ambos grupos, A y B, tanto en el sedimento como en el sobrenadante. 5. Midieron la radiactividad en los fagos surgidos tras la infección. ●●●

Cubierta proteínica en el sobrenadante Bacterias con ADN marcado con 32P en el sedimento

Datos obtenidos

Los cultivos bacterianos del grupo A infectados con fagos-35S mostraron la radiacti vidad en el sobrenadante, donde se encuentran las cápsides (4A), y los nuevos fagos surgidos tras la infección no contenían 32P en su ADN (5A). Los cultivos del grupo B infectados con fagos-32P mostraron la radiactividad en el sedimento, donde se encuentran las bacterias (4B), y los nuevos fagos surgidos tras la infección también contenían 32P en su ADN (5B). ●●●

Conclusión

El experimento simple y elegante de A. Hershey y M. Chase demostró que el agen te infectante que penetraba en la bacteria, es decir, la molécula portadora de infor mación genética que contenía las instrucciones para dirigir la formación de nuevos virus, era el ADN y no la proteína.

El ADN de los fagos está marcado con 32P

Experimento de Hershey y Chase.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 287

6 LA EXPRESIÓN DE LOS GENES ARNm

Un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce, de manera que se pone en marcha la compleja maquinaria molecular que sintetiza la proteína (o cadena peptídica) codificada por ese gen.

5’

La expresión de los genes transcurre en dos etapas sucesivas: la transcripción de la información genética (síntesis de ARN) es un paso necesario y previo a la traducción (síntesis de proteínas). Transcripción: biosíntesis de ARN. En la transcripción, una de las dos cadenas que componen el ADN de un gen actúa como molde para la síntesis de una cadena de ARN, que tiene una secuencia complementaria.

ARNt ARNr Cadena peptídica

Síntesis de una cadena peptídica en el ribosoma. Colaboran el ARNm, los ARNr y los ARNt.

Traducción: biosíntesis de proteínas. Las instrucciones del gen (escritas en cla ve en el ARNm tras la transcripción) son traducidas por los ribosomas, de acuerdo con un diccionario llamado código o clave genética, que establece las correspondencias entre el idioma del ARNm (secuencia de bases) y el idioma de las proteínas (secuencia de aminoácidos). Los ribosomas son «robots» perfectos capaces de fabricar una enorme diversi dad de proteínas a partir de la información contenida en los genes. Su oficio es el de traductores, pero son incapaces de traducir directamente la programa ción escrita en el idioma del ADN. Solo pueden traducir los mensajes cifrados en una especie de dialecto de este, es decir, el idioma del ARNm. En el proceso de traducción colaboran, junto al ARNm, los ARNr (componentes de los ribo somas) y los ARNt. Los lugares en los que transcurren los procesos de transcripción y de traduc ción son diferentes en células procariotas y eucariotas:

Transcripción

Transcripción ARN-polimerasa

ARN transcrito primario (precursor del ARNt)

ARN-polimerasa III

ARNt

ARNm

Subunidad 60 S ARN-polimerasa I

ARN transcrito primario (precursor del ARNr) Maduración

ARNt Subunidad grande (50S)

ARNr Subunidad pequeña (30 S)

Ribosoma procariota (70 S)

Reserva (pool) de aminoácidos

ARNpolimerasa II

Cadena polipeptídica en formación

Subunidad 40 S

Transcripción

ARNm Maduración Pre-ARNm

Aminoacil ARNt Traducción

Transporte al citoplasma

Aminoacil ARNt

ARNm Traducción

Transcripción y traducción en organismos procariotas (bacterias). Ambos procesos ocurren a la vez en el citoplasma celular, ya que carecen de núcleo y el ADN está disperso por el citoplasma, de manera que antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura, lo cual conduce a la síntesis de proteínas.

288

ARNr

ADN eucariota (intrones y exones)

Maduración

Cadena polipeptídica en formación

Transcripción y traducción en organismos eucariotas. Ambos procesos están separados en el espacio y en el tiempo: el ADN se transcribe en el núcleo, y los ARNm formados, junto con los ARNt y ARNr, atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma (al citosol y al retículo endoplasmático), donde los ribosomas proceden a la traducción.

6.1 FORMAS DE EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

¿LO SABÍAS?

No toda la información genética se expresa del mismo modo: Los únicos genes que se transcriben y se traducen, porque poseen información directa sobre el orden que deben ocupar los aminoácidos para formar las pro teínas, son aquellos que al transcribirse originan moléculas de ARNm, una mo lécula que se comporta como un intermediario con información «prestada». Estos genes son segmentos de ADN que contienen la información necesaria para que, mediante la transcripción y la traducción, se sinteticen las proteínas (o cadenas peptídicas) determinadas.

En animales, un gen de unos 10 000 pares de bases (pb) tarda aproximadamente 5 minutos en transcribirse a la veloci dad de unos 40 nucleótidos por segundo.

Existen genes que se transcriben pero no se traducen, ya que son portadores de información para la síntesis de determinados tipos de ARN, como el ARNt y el ARNr, que colaboran en el proceso de biosíntesis de proteínas. Existen, además, secuencias génicas reguladoras en el interior de los genes que no se transcriben ni se traducen pero son de gran importancia, pues ac túan como los signos de puntuación, indicando por dónde se debe comenzar a transcribir el gen y dónde debe finalizar la lectura.

CARACTERÍSTICAS DE LA EXPRESIÓN GÉNICA 6.2 EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS En líneas generales, la expresión de los genes es un proceso universal caracterís tico de todos los seres vivos. Pero, aunque esencialmente este proceso es similar en todos ellos, existen diferencias peculiares, según se trate de organismos procariotas o eucariotas.

15 ¿Qué tipo de genes se traducen en proteínas? ¿Qué tipo de genes se transcriben pero no se traducen? 16 ¿Por qué los genes eucariotas se dice que son fragmentados?

A continuación se describen estas diferencias: Procariotas

Eucariotas

Genes

Genes continuos: contienen toda la información necesaria para la síntesis de las proteínas.

Genes fragmentados: cada gen consta de una serie de secuencias llamadas exones (se transcriben y se traducen) y otras denominadas intrones (se transcriben pero no se traducen porque son eliminadas durante el proceso de maduración).

ADN

ADN asociado a un pequeño número de proteínas no histónicas, por lo que presenta un bajo grado de empaquetamiento y es de fácil acceso para la transcripción.

ADN asociado a histonas en la cromatina, por lo que está densamente empaquetado, y es de difícil acceso para la transcripción (se requiere un desempaquetamiento previo de la cromatina).

ARN-polimerasa

Un solo tipo de ARN-polimerasa para la síntesis de las tres clases de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.

Hay tres clases de ARN-polimerasas:  ARN-polimerasa I: síntesis de ARNr.  ARN-polimerasa II: síntesis de ARNm.  ARN-polimerasa III: síntesis de ARNt y otros de pequeño tamaño.

Localización de la transcripción y la traducción

Carecen de núcleo, por lo que la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez y en el mismo lugar: en el citoplasma. Antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura e iniciar la síntesis de proteínas.

No transcurren al mismo tiempo ni en el mismo lugar: la transcripción tiene lugar en el núcleo y los ARNm formados, junto con los ARNt y ARNr, atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma (al citosol y al retículo endoplasmático), donde los ribosomas proceden a la traducción.

Tipos de genes

Casi todos los genes procariotas son policistrónicos, de manera que se transcriben en una larga cadena de ARNm que codifica varias cadenas peptídicas diferentes (contiene varios puntos de iniciación y de terminación de la traducción a lo largo del ARNm).

La mayor parte de los genes eucariotas son monocistrónicos: cuando se transcriben dan lugar a una cadena de ARNm que, cuando se traduce, origina una única cadena peptídica.

Maduración del ARN transcrito

Solo en el ARN transcrito primario precursor del ARNt y del ARNr.

Se da en los transcritos primarios precursores de los tres tipos de ARN: ARNm, ARNt y ARNr.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 289

LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS: SÍNTESIS DEL ARNm EN EL NÚCLEO ¿LO SABÍAS?

Una de las setas más veneno sas es la Amanita phalloides. Su ingestión provoca vómi tos, espasmos abdominales, diarrea y en muchos casos la muerte del individuo. La toxi cidad se debe a una sustan cia denominada 1α–amanitina que no se destruye durante la cocción y se comporta como un potente inhibidor de la ARN-polimerasa II en eucario tas, lo que provoca el bloqueo de la síntesis de los ARNm.

La transcripción es la primera fase de la expresión génica, durante la cual se transfiere la información del ADN al lenguaje del ARN. Este proceso consiste en la síntesis de una molécula de ARN. En los eucariotas, todos los tipos de ARN (como el ARNm, ARNr y ARNt) se sin tetizan en el núcleo y se exportan al citoplasma, para participar en la traducción. Pero hay que considerar que en los eucariotas, las mitocondrias y los cloroplastos poseen genes que se transcriben para formar ARN mitocondrial y de los cloro plastos. De todos los tipos de ARN eucariotas, nos vamos a limitar únicamente a describir el proceso de síntesis de ARNm en el núcleo.

ELEMENTOS DE LA TRANSCRIPCIÓN QUE INTERVIENEN 7.1 EN LA SÍNTESIS DEL ARNm Para que se lleve a cabo la transcripción en eucariotas se necesitan tres elementos básicos: una cadena de ADN molde, ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U, y la enzima ARN-polimerasa II. ●●●

Una cadena de ADN que actúa como molde

Hace falta un molde o patrón y para ello se utiliza una de las dos cadenas del gen que se va a transcribir. Pero ¿cuál de ellas?

OBSERVA La hebra molde y la hebra informativa

HISTORIA DE LA

CIENCIA

Martha Chase Genetista estadounidense (19272003), fue asistente de investi gación en el laboratorio de Al fred Hershey. En 1952, Hershey y Chase, me diante su célebre «experimento de la licuadora», confirmaron de manera irrefutable que el material genético es el ADN y no las proteínas. Por este descu brimiento, A. Hershey ganó el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1969, junto con S. Luria y M. Delbruck, pero M. Chase ni siquiera fue men cionada por Hershey en la conferencia que impartió con motivo del Nobel. La carrera científica de M. Chase se truncó y padeció un tipo de demencia que le hizo perder su memoria a corto plazo.

290

La cadena de ADN que se utiliza como modelo para obtener una réplica com plementaria y antiparalela de ARN se denomina hebra molde. La otra cadena del ADN, complementaria de la hebra molde, se denomina hebra informativa. La hebra molde siempre se lee en sentido 3’ → 5’ y la cadena del ARN transcrito va creciendo en sentido 5’ → 3’. Cuando se representan las dos cadenas de un gen, la cadena superior es la hebra informativa, escrita en sentido 5’ → 3’ y la cadena inferior es la hebra molde, escrita en sentido 3’ → 5’. Para nombrar las diferentes regiones del gen se ha adoptado la siguiente terminología:

No se le asigna el valor 0 a ningún nucleótido. El primer nucleótido que se transcribe marca el inicio del gen y se numera como +1.

Hacia la izquierda, en dirección 5’ de la hebra informativa se numeran consecu tivamente con números negativos. Hacia la derecha, en dirección 3’ de la hebra informativa se numeran con

secutivamente con números positivos.

Gen Inicio de la transcripción

T TA C G ATAT C C G C A T A Hebra informativa G G –1 +2 5’~ A T C G G A G A T A A C C G C C C C A G A ~3’ +1

3’~ T A G C C T C T A T T G G C G G G G T C T ~5’ C C A T Hebra molde AATGC T A T AGGCGT ARNm

5’

AGAUAACCGCCG

A U U A C G A U A U C C G 3’ Dirección de la transcripción

●●●

❮RAZONA❯

Ribonucleótidos

Hacen falta ribonucleótidos de A, G, C y U que estén activados, es decir, en sus formas trifosfato «cargados de energía»: ATP, GTP, CTP y UTP. La síntesis de ARN no es más que un proceso de unión de nucleótidos mediante enlaces éster, que se establecen entre el ácido fosfórico situado en posición 5’ de cada nuevo nucleótido con el grupo –OH en posición 3’ del último nucleótido de la cadena. ●●●

La hebra molde del gen puede ser transcrita por varias enzimas ARN-polimerasas simultáneamente, cada una de las cuales es portadora de una cadena de ARN que se encuentra en una etapa diferente de elongación. Los tamaños diferentes del ARN representan distintas etapas de elongación y, por tanto, el sentido en el que la ARN-polimerasa recorre la hebra molde viene indicado por los tamaños crecientes del ARN transcrito.

Una enzima: la ARN-polimerasa II o transcriptasa

Esta enzima cataliza la polimerización de los ribonucleótidos basándose en la es pecificidad del apareamiento entre bases, como la ADN-polimerasa III. Para que funcione el proceso de obtención de réplicas de ARN a partir de la hebra molde de ADN, la ARN-polimerasa II debe tener las siguientes capacidades: Reconocer las secuencias promotoras que marcan el inicio de la transcripción, para lo cual necesita la ayuda de otras proteínas: denominadas factores de transcripción. Recorrer la hebra molde en sentido 3’ → 5’, leer la secuencia de sus bases y seleccionar en cada momento el ribonucleótido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde (teniendo en cuenta que en este caso la relación de complementariedad entre bases es G≡C y A=U). Catalizar la formación del enlace éster entre los nucleótidos, si el que ha sido seleccionado es, en efecto, el complementario. La enzima cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena del ARN en formación mediante un enlace éster, y para ello utiliza la energía desprendida en la hidrólisis.

▪ ¿En qué sentido se lleva a cabo la transcripción en esta imagen?

Reconocer las secuencias de terminación de la transcripción. Hebra informativa

Hebra molde de ADN

A T GAC T

T A

Hebra molde

T A C T GA A

3’

5’

GA TGAC T T GA

GAU GAC UUGA

ARN-polimerasa II

T C A GA T GAC T T GT GAC T AG C A C T A C T GA A C A C T G

C T AC T GAAC T

ARNm

U A

A A

5’ P

Pirofosfato

Unión de un nuevo ribonucleótido trifosfato

P ARNm de nueva formación

3’

P P

a) La enzima ARN-polimerasa II lee la hebra informativa en sentido 5’ → 3’.

P P

P 5’

17 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

b) La enzima ARN-polimerasa II lee la hebra molde en sentido 5’ → 3’. c) La cadena de ARN transcrito va creciendo en sentido 5’ → 3’.

Elongación de la cadena de ARNm en crecimiento

Transcripción en eucariotas. La enzima ARN-polimerasa «lee» la secuencia de la hebra molde de ADN en sentido 3’ → 5’ y selecciona en cada momento el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria a la base del molde, que se incorpora a la cadena de ARN como un ribonucleótido monofosfato, desprendiéndose un grupo pirofosfato (P–P) y la energía necesaria para formar el enlace éster.

d) La transcripción requiere ribonucleótidos de A, G, C y T.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 291

HISTORIA DE LA

7.2 ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN: SÍNTESIS DEL ARNm

CIENCIA

El ARNm se denomina mensajero porque transporta el mensaje, es decir, la infor mación necesaria para la síntesis de una proteína (o cadena peptídica), desde el núcleo donde se ha transcrito hasta el citoplasma donde se traduce.

Audrey Stevens Niyogi Bioquímica estadounidense (1932-2010), fue codescubridora de la ARN polimerasa en E. coli.

La mayor parte de los genes eucariotas que codifican para proteínas están fragmentados, por lo que se transcriben tanto los intrones como los exones.

Nació en una granja en Nebras ka durante la Gran Depresión, donde aprendió a valorar la vida sencilla y el trabajo duro. Es una de los cuatro investiga dores a quienes se les atribuye el descubrimiento de esta enzi ma, de forma independiente, junto con J. Bonner, J. Hurwitz y S. Weiss; además, investigó sobre diversos aspectos de la síntesis de proteínas y de las funciones del ARNm. Fue in vestigadora en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y miem bro de la Academia Nacional de Ciencias.

El proceso de la transcripción transcurre en tres etapas diferentes, iniciación, elongación y terminación, pero la molécula de ARN recién transcrito en el núcleo es un ARNm transcrito primario o pre-ARNm, denominado también ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), que todavía no es funcional y debe experimentar un proceso de maduración antes de salir del núcleo y ser traducido en el citoplasma por el ribosoma para formar una proteína o una cadena peptídica. ●●●

Iniciación

Para asegurar que la enzima ARN-polimerasa II transcriba determinados genes en el momento preciso y a una velocidad adecuada, existen en los genes eucariotas tres clases de secuencias reguladores: el promotor, las secuencias potenciadoras y las silenciadoras. Todas ellas se activan mediante una compleja maquina ria formada por diversos factores proteicos de transcripción. El promotor es la región más próxima al inicio de la transcripción y está formado por la secuencia –25 TATA, conocida por caja TATA o caja de Hogness, junto con la secuencia –80 CAAT y la secuencia –120 rica en bases GC. Los factores protei cos de transcripción que se unen con el promotor (factores basales) ayudan a la ARN-polimerasa II a situarse correctamente en el sitio de iniciación del gen. Las secuencias potenciadoras (enhancers) están situadas mucho más lejos, en tre –200 y –10 000, y sobre ellas se unen los factores activadores de la transcripción. Estas moléculas activadoras cumplen dos funciones:

4 Represor

Secuencias silenciadoras

–10 000 1 2

–200

3 Cromosoma en estado de fibra cromatínica

Cromatina

Región

7 Proteína de unión a TATA

ARN-polimerasa II

–25 5

T A

–80 –120

AA A T T

A T

T A

Adición en 5’ de la caperuza de metilguanosina trifosfato

Inicio de la transcripción

CH3 5’ G

A T

T A

Pre-ARNm

P P P

T T

Elongación de la cadena de pre-ARNm

T A

A T

nte del g

codifica

A AA

T T

T A

A A

CH3 A

Hebra molde

5’ G

P P P

Síntesis de ARNm en eucariotas. El inicio de la transcripción tiene lugar cuando ciertos factores de transcripción activadores (1) interaccionan con las histonas y desempaquetan la cromatina (2). Otros factores activadores (3) se unen, por una parte a las secuencias potenciadoras (4) y por otra a las moléculas coactivadoras (5) que actúan de intermediarias para ordenar el correcto ensamblaje de los factores basales (6) con la enzima ARN-polimerasa II (7).

292

A T

UTR

En primer lugar, desempaquetan la cromatina al disgregar los nucleosomas, pues contribuyen a la disociación del octámero de histonas y consiguen des enrollar la doble vuelta del ADN para que resulte accesible la región promotora.

OBSERVA La transcripción en procariotas

En segundo lugar, facilitan el acoplamiento de los factores basales con la ARN-polimerasa II (a través de los coactivadores) lo que incrementa la velo cidad con la que se sintetiza el pre-ARNm.

También requiere tres ele mentos básicos (una cadena de ADN molde, ribonucleó tidos trifosfato y una enzima ARN-polimerasa) y transcurre en tres etapas diferentes (ini ciación, elongación y termina ción). Pero presenta algunas diferencias con eucariotas:

Las secuencias silenciadoras (silencers) se encuentran intercaladas entre las ac tivadoras y a ellas se unen los factores represores de la transcripción, que im piden la actuación de los factores activadores y disminuyen la velocidad de la transcripción. ●●●

Elongación

Requiere un único tipo de ARN-polimerasa para la sínte sis de todas las clases de ARN.

La enzima ARN-polimerasa II recorre la hebra molde en sentido 3’ → 5’, mientras que la cadena del ARNm transcrito primario o pre-ARNm continúa creciendo en la dirección 5’ → 3’ a razón de unos 30 nucleótidos por segundo, transcribiéndose tanto los intrones como los exones. ●●●

Presenta un promotor (TATATT), pero el ADN pro cariota no necesita des compactar la cromatina, ni existe la complejidad de los factores de transcrip ción, ni secuencias poten ciadoras ni inhibidoras.

Terminación

La enzima ARN-polimerasa II reconoce la secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación, localizada en el último exón, que determina el fin de la transcripción (puede continuar cientos de nucleótidos más allá de esta señal) y la separación de la cadena de pre-ARNm recién sintetizada de la hebra molde de ADN.

La molécula de ARNm re cién transcrito no necesita un proceso de maduración, ya que los genes no poseen intrones ni exones.

7.3 MADURACIÓN POSTRANSCRIPCIONAL La maduración del pre-ARNm consiste en un conjunto de modificaciones en ambos extremos de la molécula, en la eliminación de intrones y en la alteración de ciertas secuencias codificantes en algunos ARNm. ●●●

18 ¿Qué función desempeña el promotor y dónde se localiza?

Adición en 5' de la caperuza de metil-guanosina trifosfato

19 ¿Cuándo tiene lugar la terminación de la transcripción?

Poco después de iniciada la transcripción del gen, se le añade al extremo 5’ del pre-ARNm un resto de metil-guanosina-trifosfato. Esta especie de caperuza de guanosina metilada (cap, en inglés) protege al ARNm del ataque de las nucleasas y evita su inmediata degradación en el núcleo. Además, esta caperuza es recono cida por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción.

20 ¿Qué funciones desempeña la caperuza de metil-guanosina-trifosfato?

Terminación de la transcripción Pre-ARNm

CH3

5’ G

Maduración

Pre-ARNm

CH3 E: exón I: intrón

UTR

ión

A A

A T

P P P

5’ G

P P P

UTR

UTR 3’

UTR 3’ El ARNm contiene en sus extremos 5’ y 3’ secuencias UTR (del inglés untraslated regions) que no serán traducidas, pero son necesarias para la traducción y la estabilidad del ARNm. Si se bloquean estas secuencias, el ribosoma no reconoce al ARNm y no lo traduce.

3’ UTR AAA...AAA Adición en 3’ de una cola de poliadenina

Cuando los factores basales reconocen la secuencia TATA del promotor (8), «avisan» a la ARN-polimerasa II de que el inicio del gen se aproxima y da comienzo la transcripción; posteriormente tienen lugar las etapas de elongación y terminación, seguidas de la maduración postranscripcional.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 293

18 S

5,8 S

28 S

ADN Transcripción

18 S

5,8 S

28 S

●●●

La secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación determina el fin de la trans cripción y la actuación de otra enzima, denominada poli-A-polimerasa, que adi ciona en el extremo 3’ del pre-ARNm una cola de poli-A formada por unos 150 o 200 ribonucleótidos de adenina. Al parecer, esta cola tiene un papel protector del ARNm e interviene en la vida media de esta molécula, pues cuanto menor es la cola de poli-A de un ARNm más rápidamente se degrada.

Pre-ARNr o ARN nucleolar 45 S ●●● Maduración

ARNr 18 S

ARNr 5,8 S

ARNr 28 S

Síntesis de ARNr. Los tres tipos de ARNr (28 S, 18 S y 5,8 S) de la subunidad pequeña del ribosoma, sintetizados por la ARN-polimerasa I, también proceden de largas cadenas de ARN transcrito primario que recibe el nombre de ARN 45 S o ARN nucleolar. Su síntesis tiene lugar en el nucleolo y, tras un proceso de maduración en el que sufre diferentes cortes, origina los tres tipos de ARNr citados anteriormente.

Pre-ARNt

5’

3’

G C G G C Cortes G U G C específicos G C U U G C AGGC C U UA U G U AU G C G G G C U C C G G U UC G C G AG C G CG U U Maduración C GA G G U A C G C G C G U U G G U G C G C G C G G U C G G C U U G C Adición AGGC C U UA U G U AU G C G G G de la secuencia C U C C G G U UC G C CCA en 3’ G AG C G CG U U C GA G G U A A G C C C G C C G G U U G C G U G C G C G G U C G G C U U G C AGGC C U UA U GA G UGC G C U C C G G T VC G C G AG C G C M C GA G G Modificaciones U A C G covalentes de bases C G C G U V I U I C ARNt maduro G

5’

3’

Adición en 3' de una cola de poli-adenina (poli-A)

Mecanismo de corte de intrones y pegado de exones o splicing

Los genes eucariotas, como ya se ha indicado, se encuentran en su mayor parte fragmentados (excepto los de las histonas, el interferón y algunos otros). Puesto que se transcribe todo el gen, el pre-ARNm tiene la misma longitud que el gen que lo codifica, ya que contiene tanto las secuencias denominadas exones, que serán traducidas porque poseen información para la síntesis de la proteína co rrespondiente, como las secuencias intercaladas llamadas intrones, que no codi fican para la síntesis de proteínas y deben ser eliminadas. Durante el proceso de maduración del pre-ARNm se eliminan los intrones y se unen entre sí los exones. La supresión de los intrones se realiza mediante un proceso de maduración en el núcleo del pre-ARNm que supone cortes entre los intrones y los exones, de ma nera que las secuencias intrónicas se enrollan en forma de lazos y se eliminan, mientras que las secuencias exónicas se empalman y forman una molécula de ARNm funcional que se exporta al citoplasma y contiene todos los nucleótidos necesarios para la síntesis de la cadena proteica correspondiente. El corte de los intrones y el pegado de los exones se denomina splicing y se rea liza con la ayuda de un conjunto de ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPsn) —contienen pequeñas moléculas de ARN pequeño nuclear, ricos en ura cilo (ARNsn)— que constituyen una maquinaria molecular y recibe el nombre de espliceosoma. Existe otra modalidad de corte y empalme que se ha descubierto en ciertos organismos que poseen intrones autocatalíticos (ribozimas) con la ca pacidad de autocortar sus intrones y autopegar sus exones (autosplicing) sin ne cesidad del espliceosoma. CH3

5’ G

Pre-ARNm

P P P

CH3

5’ G

P P P

Síntesis de ARNt. Los pre-ARNt sintetizados por la ARN-polimerasa III suelen sufrir cortes específicos en diferentes lugares de la cadena y otras transformaciones, como la modificación covalente de alguna de sus bases (formación de ribotimidina, seudouracilo, etc.) o la adición de la secuencia CCA en el extremo 3'.

294

E2 I1

3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA Espliceosoma

3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA

Corte de intrones

CH3 P P P

5’

5’ G

E3 Pegado de exones

3’ AAUAA E4 AAAAAAAAAAAA ARNm maduro I3

Mecanismo de splicing. ●●●

Edición o corrección del pre-ARNm

La edición es el proceso de maduración que consiste en introducir o eliminar ciertos nucleótidos o en transformar unas bases en otras, alterando ciertas secuencias del pre-ARNm que codifican para la síntesis de proteínas. Por ejemplo, la desaminación de la citosina conduce al uracilo y la desaminación de la adenina da lugar a la hipoxantina.

8 TRANSCRIPCIÓN Y RETROTRANSCRIPCIÓN EN VIRUS En la década de los setenta del siglo xx se enunció el llamado dogma central de la biología molecular al comprobar que la información genética almacenada en los genes fluye desde el ADN hasta el ARNm a través de la transcripción, y desde este a la proteína mediante la traducción. Y aunque este postulado sigue teniendo validez universal, pues es la forma mayo ritaria en la que se expresa la información genética en casi la totalidad de los seres vivos, no se puede considerar un dogma en el sentido de entender que esta sea la única forma de expresión génica, pues en ciertos virus, como los coronavirus, la información genética está almacenada en moléculas de ARN y la transcripción se lleva a cabo desde el ARN hasta el ARN; por otra parte, en los retrovirus (y tam bién en bacterias y en células eucariotas) existen enzimas retrotranscriptasas que invierten el flujo de información genética al sintetizar ADN a partir de ARN.

Virus VIH a

1 Envoltura

Espícula Cápside

Citoplasma

B Núcleo

ARN

f g

ADN hospedador i m

8.1 LOS ANTIDOGMÁTICOS RETROVIRUS

j C

A veces, la investigación científica lleva a proponer nuevas ideas que en un prin cipio resultan heterodoxas cuando se enfrentan a concepciones ortodoxas sólida mente arraigadas en la comunidad científica. En el caso del dogma central de la biología molecular, la creencia de que el flujo de información viaja exclusivamente del ADN al ARN recibió un duro golpe cuando, en 1970, Howard M. Temin descubrió que los retrovirus (una clase de virus cuyo material génico es ARN) eran capaces de sintetizar ADN a partir de ARN mediante una enzima llamada retrotranscriptasa.

o r

4 p

Ciclo biológico del retrovirus VIH 1. Fijación, penetración y descapsidación. El retrovirus se une a determinados receptores de la membrana de los linfocitos TH (a) y penetra en la célula al fusionarse su envoltura membranosa con la membrana plasmática (b). Una vez en el interior, se despoja de su cápside proteica y quedan libres las dos hebras de ARN (c) y las enzimas retrotranscriptasas (d).

Los retrovirus, entre los que se encuentran el virus VIH responsable del sida, se caracterizan porque su genoma está constituido por una o más cadenas de ARN sencillas que tienen la información necesaria para construir nuevos virus; además, tienen la particularidad de llevar una «doble vida»: unas veces con ARN y otras con ADN.

2. Biosíntesis:

Como todos los virus, carecen de la maquinaria enzimática necesaria para sinteti zar sus propios componentes, y por ello deben infectar e invadir una célula. Se pueden encontrar en forma de virus infectantes de vida libre, constituidos por una envoltura proteica o cápside en cuyo interior se aloja la hebra de ARN junto con la enzima retrotranscriptasa. Y también adoptan la estructura de provirus, formados por una doble hebra de ADN que está integrada en un cromosoma de la célula hospedadora infectada como si fuera uno más de sus genes. ●●●

Retrovirus, cáncer y evolución

Algunos retrovirus se denominan oncógenos porque son portadores de un tipo de genes, llamados oncogenes, que cuando se insertan en una célula provocan su transformación en célula cancerosa. Otros retrovirus carecen de oncogenes, pero cuando se insertan en determinadas regiones del genoma celular activan los promotores de ciertos genes que tienen efectos carcinógenos. También existen retrovirus que pueden transportar otros genes procedentes de organismos de la misma o de distinta especie, de manera que su inserción puede modificar la información genética de la célula infectada y ser causa de una mutación perjudicial o, por el contrario, de la adquisición de nuevas capacidades que mejoran su adaptabilidad. No se descarta que los retrovirus, junto con los demás virus, viroides, plásmidos, transposones y retrotransposones, puedan ser los responsables de la transferencia horizontal de información génica entre espe cies distintas. Este mecanismo podría ser una de las posibles causas del cambio evolutivo que ha podido contribuir al fenómeno de la especiación al producir macromutaciones.

A. Retrotranscripción. Cada enzima retrotranscriptasa utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de ADN copia (ADNc) (e), con secuencia complementaria, que forma un híbrido con la hebra de ARN (f). Esta es degradada por la misma enzima, al tiempo que sintetiza otra cadena de ADN complementaria al ADNc (g). B. Integración. El ADN vírico (h) se integra en un cromosoma de la célula hospedadora y se convierte en provirus (i). C. Transcripción y traducción. El provirus se comporta como un gen más y utiliza la maquinaria metabólica celular para replicar, transcribir y traducir sus genes, que dan lugar a nuevas copias de ARN vírico (j), proteínas de la cápside (k) y de la envoltura (l) y enzimas retrotranscriptasas (m). 3. Ensamblaje. Las vesículas del aparato de Golgi (n) transportan las glucoproteínas de la envoltura (l) hasta el lugar de la membrana plasmática (secreción constitutiva) (o) donde tendrá lugar la gemación (p). Los demás componentes víricos de la cápside se ensamblan alrededor de las moléculas de ARN de los genomas virales y de las enzimas retrotranscriptasas. 4. Liberación. Una vez formados los retrovirus (q), abandonan la célula mediante un proceso de gemación (p) para volver de nuevo a la vida libre con capacidad para infectar a otras células (r).

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 295

21 Describe el ciclo biológicol de retrovirus del sida (VIH). 22 ¿Qué relación existe entre los retrovirus, el cáncer y la evolución? 23 Describe el ciclo biológico del coronavirus SARS-CoV-2. ¿Qué función desempeñan los 12 nucleótidos (CCU CGG CGG GCA) de su genoma?

8.2 LA TRANSCRIPCIÓN EN EL CORONAVIRUS SARS-CoV-2 El coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la pandemia COVID-19 (del inglés coronavirus disease 2019), es un nuevo virus emergente cuyo genoma está cons tituido por una molécula de ARN. De modo que, tanto el almacenamiento de la información genética y su transmisión mediante replicación, como su expresión mediante transcripción y traducción, se llevan a cabo utilizando moléculas de ARN como molde, tal vez un vestigio evolutivo de un pasado remoto, que entron ca a los virus ARN con el origen de la vida: el mundo ARN. El ARN del coronavirus SARS-CoV-2 está empaquetado, junto con un grupo de proteínas (N) que forman una nucleocápside. El conjunto está rodeado por una envoltura membranosa que presenta una serie de proteínas (M y E) y espículas proteicas (S), en forma de trompeta, que las utiliza como llave para abrir la puerta de las células a las que infecta. Envoltura vírica

Ciclo biológico del coronavirus SARS-CoV-2 1. Fijación, penetración y descapsidación. La espícula S de la envoltura del virus tiene dos regiones: S1 y S2. La región S1 encaja como una llave en una cerradura en el receptor ACE2 presente en la superficie de la membrana de células del pulmón, corazón, riñones, intestino... La región S2 controla el proceso de fusión de la envoltura membranosa del virus con la membrana plasmática celular, lo que permite la entrada de la nucleocápside al interior del citoplasma de la célula. Para que esto sea posible, la proteína S de la espícula debe ser cortada previamente por dos enzimas (TMPRSS2 y catepsinas) presentes en algunas células que actúan como tijeras moleculares.

S2 Espícula S

TMPRSS2 Catepsinas

ARN vírico

Nucleocápside S2 S

Envoltura membranosa

Furina Nueva célula infectada

Fusión N

ACE2

Exocitosis

5’

 Replicación (ARN➝ARN). La enzima ARN polimerasa

ARN vírico (+)

Vesícula del aparato de Golgi

Traducción

ARN polimerasa Proteínas víricas dependiente de ARN no estructurales

dependiente de ARN sintetiza cadenas complementarias de ARN (+) que serán los genomas de los nuevos virus. 2

ARN vírico (+)

5’ Replicación 3’

Transcripción ARN (+) 5’ 5’

Traducción S

Virus preactivado

Ribosomas

ARN polimerasa dependiente de ARN sintetiza cadenas complementarias de ARN (+) de distintos tamaños, las cuales serán traducidas en el retículo endoplasmático rugoso (RER) para fabricar las diferentes proteínas estructurales del virus: de la nucleocápside (N), espículas (S). membrana (M) y envoltura (E).

296

S1 CCUCGGCGGGCA S2 Espícula S

 Transcripción (ARN➝ARN) y traducción. La enzima

4. Liberación. Una vez que se han ensamblado todos los componentes víricos tras la infección, los nuevos virus salen de la célula, mediante exocitosis, para infectar a las células vecinas. Pero ahora ya están preactivados, con un primer corte en sus espículas que facilita la fusión de sus envolturas membranosas con las membranas plasmáticas de las células adyacentes, a las que infectan sin exponerse al ataque de los anticuerpos presentes en el medio interno extracelular: un solo virus puede dar lugar a más de 100 000 copias.

Secuencia espícula

Membrana plasmática celular

Receptor ACE2

2. Biosíntesis. Una vez que se «abre la puerta», entra en la célula humana el ARN vírico, que es monocatenario y de polaridad positiva, la misma que el ARNm del hospedador; además, posee una caperuza metilada en el extremo 5' y una cola de poliadenina en el extremo 3', lo cual permite que los ribosomas citoplasmáticos lo traduzcan y sinteticen un conjunto de proteínas no estructurales, entre la que se encuentra la enzima ARN polimerasa dependiente de ARN, que utiliza el ARN vírico (+) como molde para sintetizar cadenas complementarias de ARN (–) mediante replicación, a partir de las cuales se llevan a cabo dos procesos.

3. Ensamblaje. Las proteínas N se asocian a las moléculas de ARN genómico del virus para construir nucleocápsides. Las proteínas S, M y E sintetizadas en el RER se incorporan a las membranas del aparato de Golgi, en cuyas vesículas se ensamblan las nucleocápsides hasta formar nuevos virus, que se alojan en el interior de dichas vesículas. El código genético del ARN del SARS-CoV-2 tiene 12 nucleótidos (CCU CGG CGG GCA) que son responsables de su alta virulencia y capacidad de contagio. Esta breve secuencia codifica una región de la proteína S de la espícula por donde se realiza un primer corte mediante una tercera enzima, denominada furina, presente en las células humanas.

Fusión de la envoltura membranosa del virus con la membrana plasmática celular

3’

5’ Replicación 3’

(+)

3’

ARN (–)

5’

óm

g RN

ico

5’ Nucleocápside

5’ M

N Vesícula del aparato de Golgi (en formación) Furina

RER

Aparato de Golgi

Primer corte en la espícula S

9 EL GENOMA El genoma es el conjunto de toda la información genética contenida en un virus, en una célula procariota o en una célula eucariota.

9.1 GENOMA VÍRICO Los genomas víricos están formados por ADN o ARN (lineal o circular, monocate nario o bicatenario) que incluye un pequeño número de genes. En cuanto a su origen, ninguna de las hipótesis es plenamente aceptada. Una de las más plausi bles supone que los virus podrían haber aparecido antes del antepasado procariota común más sencillo (LUCA), ya sea por asociación entre moléculas de ARN y proteínas en el mundo ARN, o bien por reducción o degeneración de protobiontes (protocélulas) o por escape de fragmentos de ARN o ADN procedentes de dichos protobiontes. Desde la aparición de LUCA, los virus han tenido un importante papel en la evolución celular, debido a su gran facilidad para transferir secuencias de ácidos nucleicos de unas células a otras y de unas especies a otras.

Genoma vírico. Virus bacteriófago estallado que muestra el ADN almacenado en el interior de su cápside (MET).

9.2 GENOMA DE PROCARIOTAS El genoma de las células procariotas está formado por un cromosoma circular de ADN que tiene entre 1 000 y 12 000 genes, sin intrones. La mayor parte de las bacterias puede tener además un número variable de plásmidos, que son moléculas circulares de ADN extracromosómico mucho más pequeñas que el cro mosoma y que contienen genes que no son esenciales para el crecimiento y la reproducción de la célula. Estas moléculas pueden replicarse indefinidamente de forma independiente e incluir sus copias en las células hijas o integrarse en el cromosoma bacteriano y volver a independizarse de nuevo. Los plásmidos se uti lizan como vectores de genes que pueden ser insertados en ellos y de esta forma pueden ser introducidos en una célula hospedadora a la cual transforman.

Genoma bacteriano. Escherichia coli estallada que muestra el ADN de su cromosoma circular (MET).

9.3 GENOMA DE EUCARIOTAS El genoma de las células eucariotas se localiza en su mayor parte en el núcleo y solo una pequeña parte está en orgánulos como las mitocondrias y los cloroplas tos, que poseen moléculas circulares de ADN muy similares a las de las bacterias. La organización del genoma nuclear eucariota es compleja, como muestra el genoma humano, que hace referencia a la totalidad de la información genética al macenada en el ADN de sus células, e incluye el genoma mitocondrial (tan solo contiene 37 genes) y el genoma nuclear. ●●●

Estructura y organización del genoma nuclear humano

Cada célula diploide contiene la información genética duplicada, por lo que el genoma nuclear se refiere al contenido de un solo grupo haploide de los cromo somas humanos y está compuesto por unos 3 200 millones de pares de bases de ADN (3 200 Mpb) repartidas en 24 secuencias cromosómicas distintas (22 autoso mas de un juego haploide más 2 cromosomas sexuales, X e Y). Una de las sorpresas que ha deparado el Proyecto Genoma Humano es que, al secuenciar el genoma nuclear humano, se ha encontrado que solo contiene entre 19 000 y 21 000 genes codificantes de proteínas y entre 16 000 y 18 000 genes de ARN no codificantes de proteínas, lo que representa únicamente el 1,5 % del total de ADN. El 98,5 % restante corresponde a secuencias repetitivas cuya fun ción no es conocida, a la que se le llamó «chatarra génica», una denominación poco acertada, pues cada vez se conoce mejor su papel en el control de la expre sión génica. La descodificación del genoma nuclear humano ha permitido cono cer que se organiza de la siguiente manera: genes (y secuencias relacionadas) y secuencias de ADN intergénico.

Genoma nuclear eucariota. El ADN se asocia con las histonas y se empaqueta en forma de fibras de cromatina.

¿LO SABÍAS? El microbioma humano es el ge noma que aporta la microbiota, que es el conjunto de microor ganismos que se encuentran alojados en nuestro organismo, principalmente bacterias (unos cien billones, es decir, 1014). El microbioma proporciona unos 3 millones de genes al genoma humano, que desempeñan un papel esencial en numerosos procesos fisiológicos y en el de sarrollo de ciertas patologías.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 297

106

108

1010

Genes y secuencias relacionadas con genes. Representan una pequeña parte del genoma (el 1,5 % del total de ADN) e incluyen a las secuencias de ADN codificante y no codificante relacionadas con genes.

(pb)

Plantas con flores Aves

Secuencias de ADN codificantes (exones). Comprenden tanto a los genes que codifican para proteínas, que se transcriben a ARNm y se traducen, como a los que codifican para otros tipos de ARN (ARNr, ARNt, micro ARN, etc.), que solo se transcriben. Los genes pueden estar dispersos por el geno ma o agrupados en familias génicas (conjunto de genes muy similares que proceden de un ancestro común y que desempeñan funciones muy pareci das o idénticas).

Mamíferos Reptiles Anfibios Peces óseos Peces cartilaginosos Equinodermos

La mayor parte de los genes que presentan herencia mendeliana son se cuencias de ADN no repetidas (copias únicas), pero existen otros genes, como los que codifican para las histonas o para los ARNr y ARNt, de los que existen múltiples copias (secuencias de ADN repetidas).

Crustáceos Insectos Moluscos

Secuencias de ADN no codificantes. Incluyen las secuencias reguladoras (promotores, enhancers...), los intrones y los pseudogenes, que proceden, o bien de copias de genes duplicados que no se transcriben (por carecer de promotor o acumular múltiples mutaciones), o bien proceden de ARNm ge nerados por genes ancestrales que fueron retrotranscritos e insertados en el genoma.

Gusanos Hongos Algas Levaduras Bacterias Gram + Bacterias Gram – Mycoplasma 107

109

1011

Tamaño del genoma expresado en pares de bases. La cantidad de ADN es una característica de cada especie que se conoce como valor C. Sin embargo, el tamaño del genoma no refleja la complejidad morfológica de los organismos, lo cual se denomina paradoja del valor C (por ejemplo, los anfibios poseen un genoma de mayor tamaño que los mamíferos).

Genes (exones) 1,5 %

45 % Secuencias repetidas dispersas

Secuencias relacionadas con genes (no codificantes)

(pb)

Secuencias de ADN intergénico. Estas regiones extragénicas representan la mayor proporción del genoma, cuya función es prácticamente desconocida. Una parte está formada por secuencias de ADN no génico y no repetitivo, cuya función se desconoce, y otra gran parte de estas regiones está formada por secuencias de ADN repetitivas que pueden ser de dos tipos: Secuencias cortas muy repetidas en tándem. Se denominan satélites (for man parte de la estructura del centrómero y de los telómeros, colaborando en la estabilidad de los cromosomas), minisatélites, que son repeticiones de entre 3 y 20 nucleótidos, y microsatélites, que son repeticiones de se cuencias aún más cortas, como (CA)n o (CG)n. Secuencias repetidas dispersas. Aparecen en cualquier parte del genoma, entre las que se encuentran los transposones, los retrotransposones, las se cuencias LINE (repeticiones intercaladas largas) y las secuencias SINE (repeti ciones intercaladas cortas, como las secuencias Alu). Las secuencias r epetidas dan lugar a polimorfismos, pues existen grandes variaciones de unos indi viduos a otros y es casi imposible que haya dos individuos con secuencias idénticas; por esta razón se utilizan en medicina forense para la determinación de la huella génica. Una de las aportaciones de los estudios del genoma humano, como ENCO DE (Encyclopedia of DNA Elements), consiste en el cambio de enfoque del concepto de gen, la unidad básica de la herencia (su definición fue anterior al conocimiento del ADN), que en la actualidad tiende a denominarse unidad transcripcional: comprende la secuencia que codifica para una cadena peptídica o para un tipo de ARN distinto al ARNm, incluyendo su secuencia promotora, los exones, los intrones y las secuencias flanqueantes transcritas pero no traducidas (secuencias UTR) necesarias para la traducción y la esta bilidad del ARNm.

23,5 %

15 % 15 %

Secuencias de ADN no génico y no repetitivo

Secuencias cortas muy repetidas en tándem

Genoma nuclear humano.

Curso superior del gen

24 ¿Qué grupo de cromosomas constituyen el genoma nuclear humano? 25 ¿Qué elementos incluye una unidad transcripcional? 26 ¿Qué utilidad tienen las secuencias SINE?

298

Unidad transcripcional Promotor

5’...

Enhancer

CCAAT box

Exones

TATA box

Enhancer Secuencia 5' UTR

Intrones Segmento codificante

Unidad transcripcional.

Curso inferior del gen

Secuencia 3' UTR

......3’

Síntesis La replicación del ADN circular bacteriano comienza en el origen de replicación (oriC) y se desarrolla en tres etapas: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice, por acción conjunta de las enzimas girasas y topoisomerasas y las proteínas SSBP, que dan lugar a la formación de una burbuja de replicación. Síntesis de las dos nuevas cadenas, de manera que la hebra conductora o líder (réplica de la hebra molde orientada en sentido 3’ → 5’) se sintetiza de manera continua, mientras que la hebra retardada (réplica de la hebra molde orientada en sentido 5’ → 3’) se sintetiza de forma discontinua, mediante la formación de fragmentos de Okazaki: — Comienzan con la síntesis de un ARN cebador mediante la enzima primasa (ARN-polimerasa). — Continúa la elongación de cada fragmento con la enzima ADN-polimerasa III. — Se elimina el ARN cebador y se rellena el hueco con nuevo ADN mediante la acción de la ADN-polimerasa I. — Por último, se unen los fragmentos mediante la ADN-ligasa. Corrección de errores. Los posibles errores de apareamiento entre bases se corrigen, en primer lugar, por la actividad autocorrectora de las propias enzimas ADN-polimerasas I y III (corrección de pruebas) y, más tarde, mediante sistemas enzimáticos de corrección posreplicativa. La replicación del ADN en las células eucariotas es similar a la de las procariotas. Los cromosomas eucariotas son lineales y los extremos 5’ no pueden ser replicados, por lo que en cada etapa de replicación se van acortando los telómeros, lo que está relacionado con el envejecimiento y la apoptosis. El acortamiento de los telómeros puede ser neutralizado en algunas células, como las células madre y las células cancerosas, mediante la acción de la enzima telomerasa que repone los extremos teloméricos. La primera prueba de que los genes estaban formados por ADN procede de los experimentos de transformación bacteriana realizados por el bacteriólogo F. Griffith en 1928. El experimento de Hershey y Chase demostró que el agente infectante que contenía las instrucciones para dirigir la formación de nuevos virus era el ADN y no la proteína. El idioma en el que se expresan los ácidos nucleicos contiene solo cuatro letras (A, G, C y T) pero con él se pueden construir infinidad de secuencias y, por tanto, el ADN puede almacenar un número prácticamente infinito de mensajes genéticos. Un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce, de manera que se pone en marcha toda la compleja maquinaria molecular que va a sintetizar la cadena peptídica (o el ARN) codificada por ese gen: la información genética fluye desde el ADN hasta el ARN y de este a la proteína. No toda la información genética se expresa del mismo modo: Existen genes que se transcriben en ARNm y se traducen en proteínas. Otros genes codifican para otros tipos de ARN (ARNt, ARNr, microARN, etc.), que se transcriben pero no se traducen. Las secuencias génicas reguladoras que marcan el inicio y el final de la transcripción no se transcriben ni se traducen. En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez en el citoplasma: antes incluso de que haya finalizado la formación del ARNm, los ribosomas ya pueden proceder a su lectura. En los organismos eucariotas, la transcripción tiene lugar en el núcleo, donde intervienen tres tipos de ARN-polimerasas distintas, y la traducción tiene lugar en el citoplasma. En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción tienen lugar a la vez en el citoplasma. En los organismos eucariotas, la transcripción en el núcleo, donde intervienen tres tipos de ARN-polimerasas distintas, y la traducción en el citoplasma. La transcripción en eucariotas que da lugar a la síntesis de ARNm en el núcleo requiere tres elementos: una hebra de ADN molde, ribonucleótidos trifosfato y la enzima ARN-polimerasa II. Dichos elementos interactúan en tres etapas: iniciación, donde intervienen un conjunto de factores activadores que descondensan la cromatina y al unirse a las secuencias enhancers facilitan la unión de la ARN-polimerasa II con el promotor, elongación y terminación. Posteriormente tiene lugar un proceso de maduración postranscripcional de ARNm antes de ser traducido que consta de las siguientes etapas: adición de una caperuza de metil-guanosina-trifosfato al extremo 5’ del pre-ARNm, adición de una cola de poli-A al extremo 3’ del pre-ARNm, splicing (corte de los intrones, que se eliminan, y unión de los exones) y edición (introducción o eliminación de ciertos nucleótidos y transformación de unas bases en otras). En algunos casos es posible que el ARN se retrotranscriba (transcripción inversa) en ADN por acción de la enzima retrotranscriptasa, como ocurre en los retrovirus. El genoma es el conjunto de toda la información genética contenida en un virus, en una célula procariota o en una eucariota. El genoma nuclear humano contiene entre 19 000 y 21 000 genes codificantes de proteínas y entre 16 000 y 18 000 genes de ARN no codificantes de proteínas. Está compuesto por unos 3 200 Mpb de ADN repartidos en 24 secuencias cromosómicas distintas (22 autosomas de un juego haploide más 2 cromosomas sexuales X e Y). Se organiza de la siguiente manera: genes (secuencias de ADN codificantes para proteínas y distintos tipos de ARN), secuencias de ADN no codificantes relacionadas con genes (secuencias reguladoras, intrones y pseudogenes), y secuencias de ADN intergénico que está formado por secuencias de ADN no génico y no repetitivo, secuencias cortas muy repetidas en tándem (satélites, minisatélites y microsatélites) y secuencias repetidas dispersas (transposones, retrotransposones, secuencias LINE y secuencias SINE). 12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 299

LABORATORIO Y PROCEDIMIENTOS Interpretación de microfotografías de la transcripción en procariotas y eucariotas Procedimiento 2

El objetivo de esta actividad consiste en reconocer las características de la expresión génica en procariotas e identificar el proceso de splicing que tiene lugar duran te la maduración del pre-ARNm o ARNm transcrito pri mario en eucariotas.

Uno de los genes eucariotas más estudiados es el que codifica para la ovoalbúmina, la proteína fundamental del huevo de gallina. Cuando se estableció su secuencia, se identificó un segmento de ADN constituido por 7 564 pares de ba ses. Era de esperar que la molécula de ARNm corres pondiente a este gen tuviese la misma longitud; sin embargo, se detectaron moléculas de ARNm en el citoplasma dispuestas a ser traducidas con una longi tud de tan solo 1 872 bases, mucho más cortas que el segmento de ADN correspondiente.

Material necesario Microfotografías realizadas con el microscopio electró nico de transmisión (MET) y diagramas interpretativos.

Procedimiento 1 En los procariotas, la hebra molde del gen puede ser transcrita por varias enzimas ARN-polimerasas simul táneamente, cada una de las cuales es portadora de una cadena de ARNm que se encuentra en una etapa diferente de elongación.

Con el fin de comprender estos resultados, se lleva ron a cabo experimentos de hibridación entre el ARNm maduro citoplasmático y una hebra monocate naria de su gen correspondiente, según la técnica de hibridación del ADN.

Si te fijas en la microfotografía inferior y en su diagra ma interpretativo, verás que se distinguen las dos he bras del ADN de una bacteria y sobre una de ellas se encuentran en ángulo casi recto diferentes estructu ras que representan cadenas de ARNm, a lo largo de las cuales se disponen numerosos ribosomas (se tra ducen a medida que se transcriben).

La micrografía electrónica inferior y su correspondien te diagrama interpretativo ponen de manifiesto la presencia de siete bucles de ADN monocatenario que no están hibridados con la cadena de ARNm.

Aplica el conocimiento ¿Por qué razón es más corto el ARNm citoplasmático que su gen correspondiente de la proteína ovoalbú mina?

Aplica el conocimiento ¿Qué nombre recibe cada una de las hebras a y b del ADN?

¿Qué significa la presencia de estos siete bucles for mados al hibridar una hebra de ADN monocatenario (en azul) que lleva el gen de la ovoalbúmina con su correspondiente ARNm citoplasmático (en rojo)?

¿Por qué unas cadenas de ARNm son más cortas que otras? ¿En qué sentido se realiza la transcripción? ¿En qué sentido se realiza la traducción?

3’

3’ 7

7 6

5 4 2

2 5’

Ribosomas 5’ 1 ARNm

300

2 ¿Por qué en la replicación del ADN en procariotas la hebra retardada se sintetiza de forma discontinua? ¿Cuántas enzimas participan en este proceso? 3 ¿Cómo se corrigen los errores de apareamiento entre las bases durante la replicación del ADN? 4 El genoma humano contiene unos 3 · 109 pares de bases. Si se cometiese un error de apareamiento por cada 107 pares de bases, ¿cuántas equivocaciones se producirían en cada replicación del ADN? 5 Teniendo en cuenta que la enzima ARN-polimerasa lee la secuencia de la hebra molde en sentido 3’ → 5’, escribe las secuencias de las diferentes moléculas de ARNm que se pueden sintetizar al transcribir el siguiente segmento de un gen bacteriano: 5’... TTCGTAACGATTCGTCCAT ...3’ 3’... AAGCATGCTAAGCAGGTA ...5’ 6 La hebra informativa del ADN de la región codificante de un gen eucariota que codifica para ARNm contiene la siguiente proporción de bases nitrogenadas: A = 24,7 %, G = 26,0 %, C = 25,7 % y T = 23,6 %. Indica cuál será la proporción de bases del ARNm transcrito primario o pre-ARNm sintetizado en el núcleo a partir de ese gen. ¿Esta proporción será la misma en el ARNm citoplasmático maduro? 7 La telomerasa es una enzima capaz de mantener siempre jóvenes los telómeros, que se van desgastando cada vez que las células se dividen. ARN molde

10 A la vista del siguiente esquema, responde razonadamente a las cuestiones:

2 1

3 b c

a) ¿Se trata de una célula procariota o eucariota? b) ¿Qué nombres reciben las moléculas representadas por letras? c) ¿Cómo se denominan los procesos señalador con números? d) ¿Qué orgánulos están implicados en los procesos representados con los números 1 y 3? e) ¿Podría darse en sentido inverso alguno de los procesos representados?

ACTIVIDADES

1 Un fragmento de cadena de ADN de E. coli, que posee la siguiente composición de bases (A = 24 %, T = 22 %, G = 29 % y C = 25 %), es replicada por las ADN-polimerasas I y III. La hebra réplica sirve de molde para que la ARN-polimerasa la transcriba. Averigua cuál será la composición de bases de ARN producido.

11 El esquema adjunto hace referencia a diferentes procesos celulares: ADN → ARNm → Proteínas a) ¿De qué procesos se trata? b) ¿Qué molécula del esquema constituye la base molecular de la herencia en procariotas y eucariotas? c) ¿Crees que esta es la única forma en que se expresan los genes? 12 Un fragmento de ARNm procariota presenta la siguiente secuencia: 5’...CCAUGACGUACCUUAGCGCUAUACUA...3’ a) ¿Cuál es la secuencia de la hebra molde del gen del que procede por transcripción?

ADN

Telomerasa Desoxirribonucelótidos

a) ¿Por qué se acortan los telómeros cada vez que se replica el ADN en las células eucariotas? b) ¿Cómo actúa la telomerasa para reponer la secuencia telomérica perdida y así volver a alargar los telómeros? c) Indica algunos tipos de células que sean inmortales. ¿Cuál es la causa de su inmortalidad y por qué otras células pierden esta capacidad?

b) ¿Cuál es la secuencia de la hebra informativa? 13 Suponiendo que la secuencia del ARN del retrovirus VIH causante del sida es la siguiente: 5’...UUAGCGUAUUGUUAGCGCUGGCACAU...3’ a) ¿Cuál es la secuencia de la doble hélice de ADN del provirus que se integra en el cromosoma de la célula infectada? b) ¿Cómo se llama este proceso mediante el cual se sintetiza la doble hélice del provirus? Haz un esquema de las etapas que intervienen en dicha síntesis?

8 ¿Qué demostró el experimento de Alfred Hershey y Martha Chase?

14 Compara las similitudes y diferencias que existen en los procesos de replicación y transcripción del ADN en organismos procariotas y eucariotas.

9 ¿Por qué los telómeros son un reloj molecular? ¿Qué relación existe entre su acortamiento y la apoptosis?

15 Explica mediante un esquema el llamado dogma central de la biología molecular.

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 301

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«Mientras atravesábamos los densos matojos nucleares y contemplábamos la maraña de frondes, lianas y otros ti pos extraños de vegetación molecular, que se convertían en miles de centros de transcripción, entregados por en tero a la copia afanosa y procesamiento de instrucciones para su envío al citoplasma, debatíase éste en un dilema crucial: ¿dividirse o no dividirse?

a b

5’ 5’

3’ 3’

Con esta cuestión ha de enfrentarse cada célula hija que ha emergido de la llamada fase M (en gracia a la mitosis) y ha entrado en la fase G1 de su ciclo (“Gap 1”) […]. Lo que el futuro guarde para la célu la que estamos visitando permanece oculto a nuestra mirada. Pero su destino in mediato es obvio. Algunas señales inconfundibles nos dicen que el citoplasma se ha decidido y ha comunicado su determinación al núcleo […]. donde comienzan los preparativos para la replicación del contenido de su infor mación. En unas horas, la célula entra en la fase S […]. Por doquier, incluso en los rincones más oscuros de la heterocromatina durmiente, los filamentos enrollados del ADN comienzan a agitarse inducidos por ligeros temblores. Algo portentoso está a punto de ocurrir. El hecho que estamos a punto de presenciar, como sin duda se habrá ya adivinado, es la replicación de ADN. Para asegurarnos un sitio de primera fila, pasemos a uno de esos puntos en que una fibra de cromatina está ancla da a la matriz nuclear […]. Hay una patrulla silenciosa que nunca duerme. Noche y día, así en los amplios claros de nucleolos y eucromatina, como en los más densos rincones de la heterocromatina, permanece incansable, alerta y atenta a cualquier fallo, error o accidente que pudiera producirse en el almacén irremplazable de la información genética, lista para saltar ante la más leve indicación de ambigüedad y encarrilar de nuevo las cosas. Esa patrulla de vigilancia constituye el equipo de reparación del ADN celular». Christian de Duve, La célula viva. Ed. Labor

Indica cuál de estas enzimas actúa en primer lugar durante la replicación del ADN: a) ADN polimerasa. b) ARN polimerasa c) Ligasa.

2 Los fragmentos de Okazaki se forman en la hebra: a) Molde. b) Líder. c) Retardada. 3 El tamaño del genoma de la bacteria E. coli es de 4,6 · 106 pares de bases (pb) y tarda aproximadamente 40 minutos en replicarlo. El genoma de la mosca del vinagre D. melanogaster es 40 veces superior (180 · 106 pb) y tarda en replicarse diez veces menos (4 minutos). Explica razonadamente a qué puede deberse esta diferencia en el tiempo de replicación. 4 ¿Qué proceso se representa en esta imagen?

302

5’ 3’

K D

J M

5’ 3’

a) Indica los nombres de los elementos señalados con letras mayúsculas y explica los acontecimientos que tienen lugar en las etapas señaladas con números y letras minúsculas (1, 2, 3a, 3b y 4). ¿Por qué una de las hebras se denomina retardada? 5 Al cultivar Escherichia coli en un medio con 15N se obtienen bacterias con ADN de densidad alta. Las bacterias que viven en un medio normal, con 14N, tienen un ADN con densidad baja. a) Si se cultivan bacterias con ADN de densidad alta en un medio normal con 14N, ¿qué densidad tendrá el ADN de las bacterias de la primera generación? b) ¿Cómo será la densidad del ADN en la segunda generación? Justifica razonadamente las respuestas. GA T C G GA T C GA T C

GA T C

6 Si un tratamiento ha inhibido todas las ARN polimerasas de una célula, explica razonadamente de quéC TmaC T AG T AG T AG T C T AG nera se verían afectados cadaCuno de los siguientes procesos: a) Replicación. b) Transcripción. c) Traducción. 7 La ilustración representa el proceso de reparación del G GA T C GA T C Gnucleótido ADN tras producirse la incorporación de un GA T C GA T C no complementario durante la replicación. Indica los C T AG AG elementos señalados con números y describe losC TproT C T AG C T AG cesos de cada una de las etapas señaladasTcon letras: A

Adeninas metiladas (cadena molde)

GA T C

C T AG

Error T

C T AG

GA T C

C T AG

de apareamiento B

T T

GA T C

G G

GA T C C T AG

C T AG

GA T C GA T C C T AG C T AG

GA T C

C T AG

8G A La BrdU (bromodesoxiuridina) es una molécula similar TC G GA T C G Aa T Cla timina que G ATC seG puede incorporar en la replicación del ADN en vez de este nucleótido. Si se añade BrdU C T AG C C T AG a unas células se Cobserva que, tras la mitosis, todas C T AG C T AG las células hijas tienen BrdU. Justifica razonadamente T este resultado. T

GA T C

C T AG

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Pero nada que los observadores clásicos hubieran podi do distinguir nos hubiera preparado para el espectáculo revelado ahora por nuestras lentes de aumento molecu lares. Diríase a primera vista, que hubiésemos aterrizado en el centro de una extraña pluviselva, feraz en gigantes cos helechos de los que cuelgan inmensas lianas […]. El lugar está repleto de unas delicadas estructuras, consti tuidas por un raquis central, de 6 a 8 μm de longitud, al que recubren, en buena parte, finas digitaciones latera les, o cerdas […]. de longitud regularmente creciente; la estructura ofrece todo el aspecto de un fronde de hele cho. Cada cerda se une al raquis a través de un abulta miento […]. Hasta un centenar de tales frondes, si no aún más, hallamos comprimidos en el interior del nucleolo […]. Si nos fijamos con atención, veremos que los frondes desarrollan una fre nética actividad. Los abultamientos se mueven, las cerdas se alargan y los raquis giran: todo, en perfecta sincronía». Christian de Duve, La célula viva. Ed. Labor

¿Qué tipos de moléculas representan las «digitaciones laterales» observadas por los viajeros celulares? a) ADN. b) ARN nucleolar.

a) ¿De qué tipo de proceso se trata? ¿Qué moléculas se forman y qué función desempeñan? b) ¿En qué sentido (izquierda o derecha) se realiza este proceso en el gen A y en el B? 4 Describe cómo se produce el proceso representado en la siguiente imagen: 1

5’ C 3’

3’ 5’ 3

a) Identifica las estructuras señaladas con las letras A, B y C. Indica qué representan las estructuras señaladas con los números 1 y 2. ¿Qué tipo de molécula está señalada con el número 3? b) Cita tres tipos de moléculas que se sinteticen mediante este proceso. c) Indica cómo se denominan los monómeros de las moléculas A, B y C y la composición de la molécula B. Explica el hecho de que las anotaciones 3’ y 5’ de la molécula C se sitúen en posiciones opuestas. d) Cita los nombres de los procesos que permiten la síntesis de las moléculas B y C. 5 El siguiente esquema representa el ciclo de vida del Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH). 2 1 3

c) Proteínas. 2 Los «abultamientos» que se desplazan sobre el raquis, mientras las cerdas se alargan y adoptan longitudes crecientes, representan a la enzima: a) ADN polimerasa I.

5 6

7 7

c) ARN polimerasa.

3 Identifica las moléculas señaladas con números presentes en esta microfotografía del nucleolo realizada con el microscopio electrónico de transmisión (MET). 1

b) ADN polimerasa III.

sITUACION DE APRENDIZAJE

«Desde el punto de observación donde nos encontra mos, apenas si distinguimos otra cosa que la fina estruc tura de la infinita maraña que nos rodea. Para nuestro bien, cuando se formó de nuevo la envoltura nuclear a nuestro alrededor, quedamos encerrados en una de las zonas más densas del núcleo: la correspondiente a la he terocromatina […]. Si queremos ver algo de acción, he mos de lograr salir de la maraña hasta uno de esos claros celulares señalados en los mapas nucleares […] la eucro matina y los nucleolos […].

a) ¿Qué tipo de ácido nucleico posee? Explica cada uno de los procesos que tienen lugar señalados con números. 6 Alrededor del 14 % de las mutaciones de una sola base, causantes de enfermedades como la neurofibromatosis, se encuentran en regiones cercanas a los límites entre intrones y exones. Tal vez se deba a que el espliceosoma no reconozca adecuadamente los límites intrón-exón y, por lo tanto, los «salte» durante la maduración del ARN.

2 A

a) ¿Qué son los intrones y los exones? ¿En qué consiste el splicing? ¿Cómo se lleva a cabo la edición del pre-ARNm?

12 Genética molecular I: replicación y transcripción del ADN 303

debate Y

OPINA

«Durante unos instantes de nuestra vida somos inmortales» Pregunta. ¿Hay una enzima inmortal en nosotros? Respuesta. Sí, pero restringida a los estadios iniciales del desa rrollo embrionario. P. Entonces, ¿cuándo somos fetos somos inmortales? R. Sí. La telomerasa es una proteína capaz de mantener siem pre jóvenes unas estructuras muy importantes de nuestros cro mosomas, los telómeros, así que somos inmortales durante unos instantes. Después las células se especializan en distintos órganos y se pierde esta inmortalidad.

R. Exacto, la mayor causa de to das las enfermedades que matan en los países desarrollados (don de ya no morimos de infecciones) es el envejecimiento de nuestras células. P. ¿Qué debemos hacer para que nuestros telómeros luzcan una cola de pavo real?

P. ¿Cómo lo llevan sus ratones?

R. Sabemos que fumar, la obesi dad, el estrés, dormir poco, comer mal es negativo. Si las células se han estresado mucho, tienen que duplicarse muchas veces y agotan antes sus telómeros. Es como si al nacer nos dieran un billete de mil euros que cuando se acaba termina la vida. Hay perso nas que lo gastan muy rápido y otras son más conservadoras.

R. Si les quitamos la telomerasa, envejecen prematuramente; si se la aumentamos, viven un 40 % más.

P. Y en una vida, ¿la cola de los telómeros puede crecer y acor tarse varias veces?

P. ¿Traducido a humanos?

R. Eso parece, pero debemos realizar estudios que midan los telómeros de forma habitual y continuada en la población.

P. Presénteme a los telómeros. R. Los cromosomas tienen en su extremo una especie de capu chón, un material conector, los telómeros, que se van desgas tando cada vez que las células se dividen, y eso es lo que causa la mortalidad […]. La telomerasa es capaz de alargarlos de nuevo y así mantener las células jóvenes.

R. De 80 años pasaríamos a 120, pero como no somos ratones, puede ser más o menos, no lo sabemos. Lo que está claro es que la telomerasa es el mecanismo de la naturaleza para deter minar la longevidad de las especies... P. Enfermamos porque envejecemos.

Entrevista con María Blasco, directora del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO). Ima Sanchís. LaVanguardia.com.

▪ ¿Qué consecuencias tendría el desarrollo de un fármaco que activara la telomerasa en todas nuestras células?

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❚ Recursos

Elabora un trabajo sobre los aspectos que consideres más destacables del proceso de transcripción o síntesis de ARN, mediante un procesador de textos o un programa de pre sentaciones digitales. Incluye en él fotografías, gráficos, animaciones o secuencias de vídeo.

Consulta libros de la biblioteca, prensa y revistas, y visita las siguientes páginas webs:

❚ Proceso Reúne información sobre los siguientes temas: Genética molecular. La expresión de los genes. La transcripción en eucariotas, procariotas y virus. Regulación de la expresión génica en euca riotas. Retrotranscripción. El genoma y el epigenoma.

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https://www.youtube.com/watch?v=uEwyWgSvLc0 https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag-56185/06-La%20 replicaci%C3%B3n.pdf http://www.biologyjunction.com/glenbrook_powerpoints.htm https://www.youtube.com/watch?v=KPsnmH666cI