La información genética almacenada en el ADN es un archivo viviente de instrucciones que las células usan para llevar a cabo las funciones de la vida. Dentro de cada célula, algunos catalizadores buscan la información apropiada de los «archivos» y la utilizan para construir nuevas proteínas – proteínas que forman las estructuras de la célula, ejecutan las reacciones bioquímicas y a veces se fabrican para su exportación. Aunque todas las células que componen un organismo multicelular contienen idéntica información genética, las células funcionalmente diferentes dentro del organismo utilizan diferentes conjuntos de catalizadores para expresar sólo partes específicas de estas instrucciones para llevar a cabo las funciones de la vida.
¿Cómo se transmite la información genética en las células en división?
Cuando una célula se divide, se crea una copia de su información genética – en la forma de moléculas de ADN – para cada una de las dos células hijas resultantes. La precisión de estas copias determina la salud y características hereditarias de las células resultantes, por lo que es esencial que el proceso de replicación de ADN ser tan preciso como sea posible (Figura 1).
Figura 1: la replicación del ADN de la cadena adelantada y atrasada. La helicasa descomprime el ADN de doble cadena para la replicación, por lo que forma una estructura bifurcada. La primasa genera hebras cortas de ARN que se unen al ADN de cadena sencilla para iniciar la síntesis de ADN por la ADN polimerasa. Esta enzima puede trabajar sólo en la 5 ‘a 3’, de modo que se replica la principal línea continua. La línea atrasada tiene una replicación discontinua, con cortos fragmentos de Okazaki que se estan formando y posteriormente son unidos entre sí.
Figura 2: Cada nucleótido tiene una afinidad por su socio: los pares A con T, y pares C con G
Un factor que contribuye a garantizar la precisa replicación es la estructura de doble hélice del ADN en sí. En particular, las dos hebras de la doble hélice de ADN se componen de combinaciones de moléculas llamadas nucleótidos. El ADN se construye a partir de tan sólo cuatro nucleótidos diferentes, cada uno de los cuales lleva el nombre de la base nitrogenada que contiene: adenina (A), timina (T), citosina (C), y guanina (G). Además, los nucleótidos que forman una cadena de la doble hélice del ADN siempre enlazann con los nucleótidos de la otra cadena de acuerdo a un patrón conocido como el apareamiento de bases complementarias- específicas, de forma que los pares A siempre van con los T, y los pares C siempre con G (Figura 2 ). Así, durante la división celular, las hebras apareadas se desenredan y cada hebra sirve como plantilla para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
En la mayoría de los organismos multicelulares, cada célula lleva el mismo ADN, pero esta información genética se utiliza de diversas maneras por diferentes tipos de células. En otras palabras, lo que una célula «significa» dentro de un organismo es lo que los dictados de sus genes expresan. Las células nerviosas, por ejemplo, sintetizan una gran cantidad de sustancias químicas llamadas neurotransmisores, que se utilizan para enviar mensajes a otras células, mientras que las células musculares se cargan con filamentos a base de proteínas necesarias para las contracciones musculares.
¿Cuáles son los pasos iniciales para acceder a la información genética?
La transcripción es el primer paso en la descodificación de la información genética de una célula. Durante la transcripción, las enzimas llamadas ARN polimerasas construyen moléculas de ARN que son complementarias a una porción de una cadena de la doble hélice de ADN (Figura 3).
Figura 3. La ARN polimerasa (verde) sintetiza una hebra de RNA que es complementaria a la cadena molde de ADN por debajo de ella.
Figura 4: ADN (parte superior) incluye timina (rojo); en ARN (parte inferior), la timina se sustituye por uracilo (amarillo)
Las diferentes moléculas de ARN que provienen de moléculas de ADN tiene características definidas: son de una sola cadena en lugar de doble hebra; su componente de azúcar es una ribosa en lugar de desoxirribosa y tienen la base nitrogenada uracilo (U) en lugar de timina (T) (Figura 4) . También, debido a que son hebras individuales, las moléculas de ARN no forman hélices, sino que se pliegan en estructuras complejas que están estabilizadas por un apareamiento de bases complementarias internamente. Tres clases generales de moléculas de ARN están implicadas en la expresión de los genes codificados en el ADN de una célula.
El ARN mensajero (ARNm) lleva las secuencias codificantes para la síntesis de proteínas y se llaman transcripciones; el RNA ribosómico (rRNA), moléculas que forman el núcleo de los ribosomas de una célula ( las estructuras en las que la síntesis de proteínas se lleva a cabo), y el ARN de transferencia (ARNt) moléculas que llevan aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis de proteínas. En las células eucariotas, cada clase de ARN tiene su propia polimerasa, mientras que en las células procarióticas, un único ARN polimerasa sintetiza la clase diferente de ARN. Existen otros tipos de ARN que no entendemos todavía muy bien aunque parecen jugar un papel regulador en la expresión de genes y también estar involucrados en la protección contra los virus invasores.
El ARNm es la clase más variable de ARN, y hay literalmente miles de moléculas de ARNm diferentes presentes en una célula en un momento dado. Algunas moléculas de ARNm son muy abundantes, en número de cientos o miles, como suele suceder con las transcripciones de codificación de proteínas estructurales. Otros mRNAs son muy raros, tal vez con un solo ejemplar presente, como suele ser el caso de las transcripciones que codifican las proteínas de señalización. Los mRNAs también varían a lo largo de su larga vida. En eucariotas, en las transcripciones de las proteínas estructurales pueden permanecer intactos durante más de diez horas, mientras que las transcripciones de las proteínas de señalización puede ser degradados en menos de diez minutos.
Las células se pueden caracterizar por el espectro de moléculas de ARNm presentes en ellas; este espectro se llama el transcriptoma. Considerando que cada célula en un organismo multicelular lleva el mismo ADN o genoma, su transcriptoma varía ampliamente según el tipo y función celular. Por ejemplo, las células productoras de insulina del páncreas contienen transcripciones de insulina, pero las células de hueso no. A pesar de que las células óseas llevar el gen de la insulina, este gen no se transcribe. Por lo tanto, la definición de transcriptoma puede ser una especie de catálogo de todos los genes que se expresan en una célula en un punto particular en el tiempo.
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