Bioquimica medica tomo II

libro de estudio p de la anatomia humana

1. Cardellá - Hernandez
r.

2. Prólogo
a bioquímica es una ciencia que se ha desarrollado con un ritmo muy
acelerado en el presente siglo. Los logros alcanzados en los últimos años
TJ en el conocimiento de esta ciencia iian influido decisivaniente en el
progreso de numerosas ramas científicas afines, en particular en las hiomédicas.
Muchos hallazgos de la bioquímica han incidido directa o indirectamente en la
teoría y la práctica médica; por ello resulta imprescindible el dominio de los
aspectos fundamentales de esta disciplina por parte de médicos, estomatólogos,
licenciados en enfermería, y en general por todo el personal profesional relaciona-
do con la asistencia, docencia e investigación en el campo de las ciencias médi-
cas.
El texto fue elaborado teniendo en cuenta los intereses de las diferentes especia-
lidades de las ciencias médicas. De igual modo, éste puede ser de utilidad a estu-
diantes de cualquier otra carrera biológica. En el Tomo
IV se tratan, además,
algunos aspectos especializados de la
bioqiiímica de interés clínico actiial, lo que
permite a estudiantes de años superiores y graduados de las diferentes ramas de
las
ciencias médicas complementar y aplicar conocimientos adquiridos al cursar las
ciencias básicas.
Nuestros propósitos son contribuir a mejorar la comprensión de la disciplina
Bioqiiímica y destacar su importancia en la formación de profesionales de las
especialidades médicas. Corresponde principalmente a nuestros estudiantes eva-
luar en qué medida ello se ha logrado.
Las autores

3. CONTENIDO
CApfiULo 20. Membranas biol6gieas 373
Componentes moleculares de las membranas 373
Lípidos de membrana 373
Proteínas de membrana 375
Glúcidos de membrana 376
Modelo del mosaico fluido 376
Membrana plasmática 378
Funciones de la membrana plasmática 381
Transportedesustancias através de las membranas 381
Difusión y ósmosis 381
Transporte mediante proteínas 382
Potencial de membrana en reposo 385
Diferenciación de la membrana plasmática 385
Resumen 386
Ejercicios 386
CAPf'm.0 21. Organelm membranosus in-ulares 389
Tipos de organelos membranosos internos 389
Estmctura general de las endomembranas 390
Funciones generales de los organelos membranosos 390
Relaciones entre los organelos membranosos 391
Retículo endoplasmático 391
Aparato de Golgi 394
Lisosomas 395
Peroxisomas 397
Relaciones del sistema de endomembranas 398
Resumen 398
Ejercicios 400
CAP~TULO 22. Citoesqueleto 401
Citoplasma soluble 401
Microfilamentos 402
Principales funciones de los microfilamentos 404
Microtúbulos 405
Principales funciones de los microtúbulos 406
Filamentos intermedios 406
Inclusiones citoplasmáticas 407
Glóbulos de grasa 407
Gránulos de glucógeno 408
Resumen 409
Ejercicios 410
C~pfrvLo 23. Núdeo celular 411
Componentes estructurales del núcleo 411
Envoltura nuclear 412
Nucléolo 415
Nucleoplasma 415
Par cromatina-cromosoma 416
Cromatina 416
Cromosomas 416
Cariotipo humano normal 417
Mitosis 419
Resumen 420
Ejercicios 421

4. CmíTin.0 24. Flujo celular de información 427
Información molecular 427
Formas de la información niolecnlar 428
Transferencia de información 429
Ciclo celular 429
Actividad biosintética durante el ciclo celular 431
Regulación del ciclo celular 434
Resumen 437
Ejercicios 437
CAPíTin.0 25. Replicación de los ADN 439
Historia del problema 439
Aspectos generales 441
Requerimientos de la replicación 442
Etapas de la replicación 444
Replicación en procariontes 444
Replicación en
E. coli 444
Origen de la replicación 445
Eventos previos a la
iniciaciÓn(preiniciacióo) 445
Iniciación 447
Elongación 449
Terminación 452
Modificación del ADN (posterminación) 453
Replicación en eucariontes 453
Complejidad del proceso 453
Replicación en eucariontes pluricelolares 455
Fidelidad del proceso 456
Inhibidores de la replicación 457
A manera de conclusiones 458
Resumen 459
Ejercicios 460
CAPíTUL0 26.Op@zación del genoma eucarionte 461
Genes y cromosomas 461
Genes y ADN 465
Estructura del gen 466
Familias génicas 468
Genoma humano 47 1
Resumen 472
E,jercicios 473
CAPfTUL0 27. Transcripción del ADN 475
Aspectos generales 475
Etapas de la transcripción 476
Eventos previos a la iniciación (preiniciación) 477
Iniciación 479
Elongación 480
Terminación 480
Eventos posterminación 483
Transcripción en eucariontes 485
Síntesis
y maduración de los
ARNr 486
Síntesis
y maduración de los
ARNt 487
Unidades de transcripción 487
Síntesis
y maduración de los
ARNm 490
Inhibidores de la transcripción 493
Resumen 494
Ejercicios 495
CmíTin.0 28. Código gen6üco 497 - -
Primeros pasos 497
Descifrado del código 498
Codones de terminación 501
Codon de iniciación 502
Universalidad del código 503
Estructura del código 503
Descodificación 505
Resumen 506
Ejercicios 507
CAPíTUL0 29. Ribosomas 509
Primeros indicios 510
Composición molecular 510
Estructura tridimensional512
1,ocalización de los componentes 512
Dominios funcionales 515
Riogénesis de los ribosomas 516
Ribosomas eucariontes 517
Polirribosomas 518
Resumen 518
Ejercicios 519
CAPíTULo 30. 'ihducción 521
Primeros aportes 521
Características generales 522
Eventos previos a la iniciación 522
Iniciación 525
Formación del complejo de preiniciación 525
Incorporación del fmet-ARNt, 526
Incorporación del ARNm 526
Formación del complejo de iniciación 70s 526
Elongación 527
Incorporación del aminoacil-ARNt 527
Formación del enlace peptídico 529
Translocación 529
Terminación 530
Traducción en eucariontes 530
Posterminación 532
Distribución de proteínas 533
Consideraciones energéticas 534
Inhibidores de la traducción 535
Resumen 536
Ejercicios 536

5. cm0 31. Reeombinari6n genética 537
Historia del problema 537
Tipos de recombinación genética 538
Modelo de Holliday 539
Comprobación del modelo 541
Formación del intermediario de Holliday 542
Enzimología de la recombinación 542
Significado biológico de la recombinación 545
Resumen 546
Ejercicios 546
CAPfirrr.0 32. Mutadones 549
Definiciones
y nomenclatura 549
Concepto de mutación 549
Tipos de mutaciones 550
Mutaciones génicas 550
Mutagénesis 551
Mutágenos análogos de bases 551
Mutágenos químicos 552
Sustancias
intercalantes 553
Radiaciones 553
Consecuencias de las mutaciones 553
Mutaciones mayores 555
Supresión 556
Mutaciones en humanos 557
Resumen 558
Ejercicios 559
CAPínno 33. Comervaei6n de la informaci6n genetiea 561
Modificación-restricción 561
Daños al ADN 564
Bases mal apareadas 564
Bases perdidas 564
Alteraciones de bases 564
Rotura de una hebra 564
Rotura en las
2 hebras 565
Enlaces entrecruzados 565
Sistema de reparación 566
Fotorreactivación 566
Reparación por escisión 566
Reparación por recombinación 567
Sistemas SOS 569
Reparación de otros daños 569
Alteraciones de la reparación 569
Resumen 571
Ejercicios 571
CAPfiur,~ 34. Regulaci6n de la expresi6n genetiea 573
Aspectos generales 573
Regulación transcripcional 574
Inducción enzimática 574
Mecanismo de atenuación 581
.-
Eficiencia del promotor 582
Regulación postranscripcional 582
Regulación en encariontes 583
Regulación
pretranscripcional 584
Regulación transcripcional 585
Regulación postranscripcional 585
Resumen 586
Ejercicios 587
CAPfiULo 35. kologla del ADN reeombiinante 589
Procedimiento general 589
Obtención de genes específicos 591
Recombinación in vitro 591
Vectores 593
Identificación del gen recombinado 595
Pmblem en la producción de pmteínas eucariontes 596
Expresión de genes clonados 596
Experiencia típica 596
Empleo diagnóstico 598
Perspectivas 599
Resumen 600
Ejercicios 601

6. Introducción a la sección
omo fue considerado en el capítulo 4, la célula es la forma fundan~ental de r; .:
organización de la materia viva; de aquíse deduce que la comprensión del
-/ funcionamiento celular constituye un elemento fundamental para el conoci-
miento de los fenómenos biológicos en su conjunto.
La primeraaproximación del hombre al estudio de la célula se produjo a través desu
morfología, auxiliado en sus inicios por instrumentos ópticos de amplificación de
imágenes. Desde los primeros momentos se hizo evidente que las células eran estructu-
ras complejas con elevado nivel de organización interna.
El desarrollo de los estudios bioquímicos, que demostraron la posibilidad de analizar
algunas funciones celulares en preparados libres de células -especialmente algunas
actividades enzimáticas-, abrió un período importante de adquisición de nuevos co-
nocimientos acerca del funcionamiento de estas células. Se descubrieron las vías y
ciclos metabólicos y avanzó de manera extraordinaria el conocimiento sobre la estruc-
tnra y función de las enzimas, así como su función reguladora en el metabolismo.
En una etapa pareció que el conocimiento bastante completo de la función celular
estaba relativamente cerca y que consistiría en identificar todas y cada una de las
enzimas celulares, así como las reacciones que ellas catalizaban; de este modo, una
imagen reduccionista de la célula, como un pequeño saco donde las enzimas llevaban
a cabo su función, cobró algún valor ein el pensamiento de los bioquímicos. Pronto esta

7. imagen afrontó dificultades al ponerse en evidencia que muchas funciones metahólicas
requerían, no solo los catalizadores enzimáticos correspondientes, sino de determina-
das estructuras con un elevado grado de organización; tal fue el caso de la síntesis de
proteínas en relación con los rihosomas o de la respiración celular con las mitocondrias.
De manera simultánea el desarrollo de los métodos de estudio de la morfología celular-
especialmente la microscopia electrónica- fue revelando la extraordinaria compleji-
dad de la citoarquitectura, a ello se unió el cúmulo de información obtenida mediante
métodos como la histoqnímica y la inmunohistoquímica, los cuales permitieron hacer
un análisis que integraba la estructura
y la función de diversos componentes.
Hoy resulta evidente que si queremos comprender adecuadamente a la
célula,la visión
del pequeOo saco repleto de enzimas tiene que ser desplazada por la de un complejo
estmctural y funcional, donde
tan importantes son las características
cinéticas de una
enzima como su ubicación intracelular y sus atributos topológicos.
De este modo se justifica plenamente la inclusión de esta sección "componentes celu-
lares" en un texto de bioquímica; desde luego, el lector deberá tener presente que el
contenido es eminentemente funcional y los detalles morfológicos son considerados
en la medida quecontribuyen a este objetivo. El estudio cada vez más complejo sobre
la morfología celular sigue siendo objeto de estudio primordial en disciplinas de
carácter morfológico como la Histología. Sin dudas nos vamos acercando a una sínte-
sis de conocimientos que muchos reconocen como una disciplina independiente, la
Biología Molecular, en nuestro caso se considera como una parte de la propia
Bioquímica.
El enfoque eminentemente funcional nos ha decidido tratar los aspectos estmcturales
de algunos componentes celulares (mitocondrias
y ribosomas) en capítulos de otras
secciones donde se estudian sus funciones.
En esta sección se tratan aspectos estructurales
y funcionales de los componentes
celulares,cnáies son lamembranaplasmática y losorganelosmembi.anau>sinhamlulares,
el núcleo celular y el citoesqueleto.
En este texto podrá comprobarse cómo estos conocimientos son retomados necesaria-
mente para lograr mejor comprensión del funcionamiento y regulación del metabolis-
mo celular, cobrando fuerza una concepción de la relación estmctnra-función a todos
los niveles de organización de la materia viva.
Sin embargo, debe quedar claro que una célula es un objeto muy complejo, con un
elevadísimo grado de organización cuya comprensión requiere aún de intensas inves-
tigaciones.

8. Las membranas biológicas son organizaciones supramacromoleculares flexibles
y fluidas que delimitan las células del medio circundante (membrana plasmática), o
constituyen el sistema de endomembranas característico de las células eucariotas y
que condiciona la compartimentación de éstas; además, las membranas delimitan a
muchos organelos citoplasmáticos.
Aunque la composición molecular de las membranas biológicas varia según el
tipo de célula del cual forme parte, e incluso de su localización intracelular, todas ellas
presentan un conjunto decaracteristicas comunes tantoen relación con su composición
molecular y su organización estructural general como con sus funciones básicas.
En este capítulo
se estudiarán estas
caracteristicas comunes a todas las membranas
biológicas y además, se tratarán las especificidades estructurales generales de la
membrana plasmática, haciendo énfasis en algunas de sus funciones, particularmente
las relacionadas con el paso de sustancias a través de ella.
Componentes
moleculares de les membranas
Las distintas membranas biológicas están constituidas fundamentalmente por
Lípidos y proteínas, poseen además, glúcidos en pequeñas cantidades. Los Lípidos y las
proteínas son los componentes fundamentales que se encuentran en proporciones
variables según el tipo de membrana; en las membranas mielínicas los Iípidos
constituyen cerca de1 80
% de su masa y las proteínas alrededor de1 20 %,en tanto
que
en lamembranainternade las mitocondrias la proporción de ambos constituyentes es
inversa,-20
% de Iípidos y 80 % de proteínas. Entre estos límites
existe una gama de
proporciones diversas de dichos componentes; analizaremos algunos aspectos
particulares de cada uno de los componentes moleculares de las membranas.
Lípidm de membrana
Losopid~s<lwxenwnbranfonnandopartedelasmembrana~presentanlapropiedad
deser aníipátieascomo se mrdará, éstase de-
una pomón polar y otra apolar (capítulo 13). Dichos Iípidos de membranas son fdátidos
de glicerina y esñngolípidos; los triacilglicéridos se encuenhan en cantidades ínfimas.
Algunos tipos de membrana poseen colesterol y éstem de colesterol.

9. La característica anfipática de los principales Iípidos de las membranas condiciona
la organización estructural deéstos en forma de micela o bicapa (Fig. 20.1),en la cual
los grupos polares se disponen hacia el exterior de ésta e interactúan con el medio
acuoso a través de puentes de hidrógeno y de interacciones electrostáticas. Las cadenas
apolares, a su vez, se dirigen hacia el interior, entreellas se establecen atracciones por
uniones bidmfóbicas y por fuerzas de Van der Waals.
Fie. 20.1. Reuresentación esriaeial de un seemento de bieaiia liuídica. En negro. átomos de carbono;
En la Fig. 20.2 puede apreciarse la forma en que el colesterol se relaciona con los
fosfolípidos; como se ha dicho, la bicapa, estructura fundamental de las membranas,
es
fluida; ello depende de su composición. La longitud de
lacadena y el grado de insatu-
ración de los ácidos grasos, -que constituyen los fosfátidos de glicerina y
esfingolípidosinfluyen deformadeterminante en esta propiedad; de esta manera los
ácidos grasos de cadena corta y los insaturados limitan el "empaquetaniiento" de las
cadenas hidrófobas y por tanto contribuyen a la fluidez. La presencia de colesterol en
la membrana eierce efectos sobre su fluidez.
"
La bicapa lipídica es asimétrica, ya que la disposición de sus componentes difiere
en cada una de las capas. La mayoría de las moléculas de fosfatidil serina y fosfatidil
etanolamina se encuentran en la capa interna, en tanto que, en la externa predominan
las defosfatidil colina y esfingomielina; el difosfatidil glicerol se encuentra sólo en la
membrana interna de la mitocondria y en algunas membranas bacterianas. El inositol
en el fosfatidilinositol, así como el 4,s-difosfoinositol fosfoglicérido (PIP,) forman
parte también de la membrana plasmática y en el caso del PiP2es fuente de 2 segundos
mensajeros.
Los plasmalógenos forman parte también de algunas membranas como el tejido
nervioso y el corazón. Como veremos más adelante,algunos glúcidos se unen a Iípidos
formando los glucolípidos.
El espesor de la bicapa lipídica mide aproximadamente entre
6 y 9 nm para la
mayoría de lasmembranas; esta bicapase comporta como una barrera
permeablepara
las sustancias lipídicas, e impermeables a los iones y compuestos polares con la
excepción del agua (Fig. 20.3).

10. SLE qmqom 83- Á suippI$a3 sa)uaUodu1o~
'(2861 'u?!qpa epunaas
iiakq '7 .eqqnha!g ap opeuioL)
Wl
-?"he ap apgmdns e1 ua o lo!lai
-u! la ua uppe>!qn ns un% '( p )
seqqj!~ad o semsuuixa 6 (2 d q 'e)
sa@Pa>u! a semsryu! las uapand
seuequiaui m1 ap seu!aiold se1 'VOZ %
xoyiu! la epeq ueqeml
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waueui ap uauodqp as soJ!iedgue
sop!dg so7 .seJ!3ola!q seu
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ou!s 'lein)anilsa u?pezpea~o el e uahnquluoa anbiod 019s ou sapqanasa sauopuy
uepduiasap anb 'sewquiaui se1 ap sa@luauiep!ny quauoduiw uos szupp~d m?

11. Fig. 20.5. Disposición en la membrana plasmática de la gliroforina, proteína intrínseca de las
glóbulos rojos humanos.
(Tomado de Bioquímica. L. Stryer. Segunda edición, 1982).
Las proteínas periféricas se disponen en lasuperficie interna o externa de la bicapa
y se unen, por interacciones débiles de tipo electrostático, a la cabeza polar de los
Iípidos de la membrana, por lo cual son fácilmente separadas con el uso de soluciones
salinas. Estas proteínas son solubles en solventes polares. Entre las proteínas periféri-
cas hay algunas con actividad enzimática.
Las porciones de las proteínas de membrana que se incluyen en la bicapa lipídica
poseen elevado contenido de aminoácidos apolares, con predominio de la estrnctura
en hélice uó de conformadón P; como fue estudiado en el capitulo 12, la estructura en
hélice u de las proteínas minimiza el carácter hidrofnico.de1 enlace pepiídico.
Glúeidos de
membrana
En todas las células
eucariotas se encuentra una cantidad de glúcidos, formando
partede las membranas, particularmente de la plasmáiica. Los glúudosse hallanunidos
de forma covalente a Iípidos o proteínas para formar glicolípidos o glicoproteínas,
respectivamente. La fracción glucídica constituye entre
2 y 10 %;desde
el punto de
vista estructural son oligosacáridos, que en su mayoríaestán unidos a proteínas y en
menor cantidad a los Iípidos. Los oligosacáridos de las membranas están dispuestos
hacia la cara no citoplasmática (Fig. 20.6), éstos cumplen las funciones siguientes:
1. Contribuyen a la orientación de las proteínas en la membrana.
2. Participan en la interacción entre membranas de células distintas.
3. Tienen una función fundamental en las propiedades inmunológicas
de las membranas.
Los azricares que se encuentran formando parte de estos glicolípidos y
glicoproteínas son: glucosa, galactosa, manosa, fucosa,
N
acetil galactosamina y el
ácido siálico. La asimetría se mantiene debido a que el paso espontáneo de moléculas
de una capa a la otra es casi nulo.
Modelo del mosaico
fluido
El modelo de membrana del mosaico fluido fue propuesto por Singer y Nicolson
en 1972, éste es capaz de explicar numerosas propiedades físicas, químicas y biológicas

12. Fig. 20.6. Reprcsentacih de la capa lipidies externa de una rnemhrana plasrnátira Iiipotétiea. Les
oligosaeáridos integrantes de los gangliósidos están constituidos por diversos monosacá-
ridos indicadas con Ictras.
('romado de Moleeular Biulog? af thc crll. R. Albci-ts et al., 1983).
de las membranas; se acepta universalmente como la organización estructural más
probable de los componentes de las membranas biológicas.
El modelo se propuso sobre la hase del estudio de la composición química y
propiedades físicas de las membranas biológicas,
así
como de resultados experimen-
tales en los cuales se comparó el comportamiento de membranas sintéticas preparada5
en el laboratorio, a partir de una mezcla de fosfolípidos y algunas proteínas, con el
comportamiento de las memhranas naturales.
En la figura
20.7 puede apreciarse una representación esquemática del modelo. Se
considera que las proteínas forman un mosaico dentro de la hicapa lipídica, que
constituye la estructura básica; además, las proteinas experimentan movimientos
laterales. En estemodelo puede observarse la disposición de los glúcidos en la cara no
citoplasmática; las proteínas periféricas se localizan hacia ambos lados, y el conjunto
adopta una estructura tridimensional compacta y flexible.
,N Bicapa
lipídica
. '
Fig. 20.7. Modelo del mosaico fluida.
(Tomado de Bioquímies. L. Strper.
Segunda edición,
1982).
El grado de fluidez de una membrana influye en sus funciones, si aumenta su
fluidez seincrementa su permeabilidad al agua y a otras moléculas e iones, en tanto
1. Los Iípidos y proteínas organizados en forma de mosaico.
2. Las membranas son estructuras fluidas donde los Lípidos y proteinas pueden efec-
tuar movimientos de traslación dentro de la misma capa.
3.
Ashetia en la disposición de los Iípidos, las proteínas y especialmente las glúcidos.

13. Membrana plasmática
La membrana plasmática se organiza como una doble capa continua, delgada, de
4 a 5 nni de espesor. En algunas células, por fuera de la membrana, existe una cubierta
celular que la cubre y protege. La membrana plasmática individualiza a la célula y
permite que ésta se relxione con el medio; su desarrollo constituyó un evento cruiial
en el proceso de evolucibn de la materia viva (capítulo
3).
La membrana
plasinática está constituida deforma siniilar a la descrita para las
membranas hinlúgicas, por lo cual aquí trataremos sólo las particularidades más
relevantes.
En un niisiii~~ tipo de nieinbrana plasmáticase han podido aislar e identificar unas
100 proteínas diferentes, y teniendo en cuenta los distintos tipos de membranas plasmá-
ticas estudiadas se Iia determinado la presencia de numerosas enzimas, algunas de e llas
exhiben una Ion~alizaciún bistica especifica, como las disacaridasas -localizadas en las
n~icrovellosidades dc la niucosa intestinal-, en tanto otras presentan una ubicación
más universal -iVl'l'asa dependiente de Na' y K'.
Las proteínas transportadorai, la$ que forniancanales y los receptoresdemembrana
tienen una especial relevancia, ya que desempeña una función vital en el intercambio
de sustancia, energía e inti)rniaciún de la célula con su entorno (Fig. 20.8). Las proteína?
de membrana pueden presentar adeniás funciún estructiiral,constituir antígenos o
alguna otra funcibn especifica.
Ligando
l
Pro
1 l l ~eceitor de
teína Proteína Bomba
membrana
canales transpoitadora
Fig. 20.8. 'Tipos de proteínas de menihranas. Ohs6rvesc Wmu todas rllas son proteínac integrales.
La membrana plasmática del eritrocito (figura 20.9) ha sido muy estudiada
dehido a la relativa facilidad de su aislamiento
y purificación,
contiene 52 90 de
proteínas,
40 % de
lípidos y 8 % de glúcidos en forma de oligosacáridos. La
distribucibn de las proteínas en la bicapa es también asimétric-, las periféricaq queson
más solubles se encuentran en la cara citoplasmática, las externas están más asociadas
a los lípidos. Las glicoproteínas se disponen en la cara externa o lnminal. En el capítulo
63 el lector puede ampliar detalles al respecto.
Las proteínas transportadoras son proteínas integrales de membrana, tienen
especificidad
y se unen a la sustancia que se debe transportar. Los canales o poros son
proteínas intrínsecas que crean un ambiente "acuoso" en su interior debido a la
conformación adoptada por sus niveles terciarios y cuaternarios, lo que permite
la
difusión de sustancias en ambos sentidos a través de la muiihrana; las sustancias se
mueven a favor del gradiente. Aunque estas proteínas canales muestran cierta
especificidad, nose unen a lasustancia quese debe trausportar y laselectividad parece
más biénestar relacionada
al
tamaíio y carga eléctrica de la sustancia transportada. El
flujo a través del canal secontrola por la regulación de su apertura y cierre.
Las proteínas receptoras son proteínas transmembrauales cuya funciún
especializada es constituir un eslabún fundamental en la comunicaciún intercelnlar,

14. Banda 111 '1; -. -gH~ exiracelular Espacio -. - l l. ~. ,
. .
Bicapa
-
lipídica
... . r, *Y . i .< .., < <
Citoplasma
HOOC
Fig. 20.9. Disposiri6n de la banda 111 y de
la glicoforina (GP) en la mcnilirn-
na del critracito.
NHZ (Tomado de Moleeular Bh>logy of
thc cell. R. Alhcrts el al., 1983).
ellas captan alguna? señales quíniicas del exterior y trasmiten una información Iiacia
el interior de la célula. No todos los receptores son proteinas de membrana, pues en
algunoscasosla proteína receptora se encuentra localizadaen el interior de la célula y
no forma parfe de la nienilnma plasniática. Se hace referencia súlo a los receptores de
membrana. Estos de acuerdo con sus respuestas ante las señales pueden:
1. Regular el paso
de determinadas sustancias o iones a través de canales.
2. Modificar la actividad de algunas enzimas.
3. Provocar cambios de conformación y fiinción de determinadas proteinas.
4. Facilitar procesos de endocitosis.
5. Inducir la transcripciún de algún segmento del ADN.
La estructura de los receptores es muy variada, pueden estar formados por una
cadena polipeptídica o cnnstituir oligómerus más o menos complejos. En muchos
casos se pueden distinguir
3 dominios: uno
extracelular, glicosilado, relacionado cnn
el reconocimiento molerular de la señal quíniica; otro que atraviesa la membrana,
y un
tercero,
intracclular relacionado con la trasinisii,n de la información (Fig. 20.10).
Bicapa
lipídica
Fk. 20.10. Estriirtiira dc un receptor de nirriitiran~. (a) I>ifcrentes dominios: DE dominio cxtraiclular
Por donde Sr unic el lizande, 1Yl' diiniinio transineniliranal y DC dominio citoplasmático por
dondc se expresa o lrasmitc la respuesla a la scñel. (1,) Al unirse el ligando sc produce una
transi<información que provoca la aclivaciím dcl centro catalítico inactivo (CCl) y se
conviene en centro cairlílico activo (CCA), lo que pcrmile que ocurra la reacción cniiniútica.

15. Fig. 20.11. Mierofotngrafia electr6nicii dc
la superficie de un linfocito. La
lineión específica permite ver la
cubierta celular
o
gliioeálix.
(Tomado de Mulerular Biology of
tlie ccll. B. Alherts el al., 1983).
El reconocimiento y unión de la señal al dominio externo de la proteína receptora
provoca un cambio conformacional en ésta, el que se trasmite al dominio intracelular
y desencadena el tipo de respuesta correspondiente. En el capítulo 59, en ocasión del
estudio de la comunicación celular, el lector podrá ampliar este aspecto.
Las membranas plasmátieas de células animales poseen colesterol en cantidades
elevadas, hasta una relación de 1:l con los fosfolípidos. De igual forma el contenido
de oligosacáridos es relativamente elevado, al compararlo con el de otro tipo de
membranas como se puede comprobar en la tabla
20.1. nbla 20.1. Con~posiCiÓn aproximada de IIpidos en distintas membranas celulares
Tipo de lipido MFH MPE MIE MlT RE
Colaterol 17 23 22 3 6
Glicolipidos 7 3 28 hz hz
1.0s \dores se dan en por cientos del peso total de lipidos.
Leyendas: MPH: membrana plasmátiea hepática. MPE: membrana plasmática del eritrocito. MIE:
niieliim 5117: mitocandria. RE: rrtiriilo cn<loplásniiro. trr: trazas.
Los glúcidos presentes en la membrana parecen tener importancia en las
interacciones de las células, específicamente en el reconocimiento entre ellas.
A la zona externa de la membrana plasmática, abundante en glúcidos, se le
conoce con el nombre de glicocalix
(Fig. 20.11). Con frecuencia se adsorben
glicoproteínas
y proteoglicanos, secretados por la propia célula, a esta cara externa de
la membrana
plasmática.

16. La cubierta celular está formada por polisacáridos. En las células vegetales la
pared celular está constituida por celulosa y pectina. En algunas célnlas animales está
presente una capa de heteropolisacárido que rodea a la membrana y forma la cubierta
externa;
ésta, aunque no tiene función relacionadacon la permeabilidad de lamembrana,
puede sin embargo, actuar como filtro, por ejemplo, el ácido
hialurónico presente en el
tejido conectivo puede, en cierta medida, modificar la velocidad de difusión a través
de la membrana.
Funcione8 de la membrana piasm4tica
Las membranas plasmáticas presentan un conjunto de funciones como:
1. Delimitan la célula y la interrelacionan con otras.
2. Presentan permeabilidad selectiva, permiten el paso libre de algunas sustancias e
impiden el de otras según el tamaño y solubilidad de éstas.
3. Participan en los mecanismos mediante los cuales la célula secreta y expulsa
sustancias al exterior.
4. Contribuyen al mantenimiento del balance hidromiueral de las células.
5. Trasmiten ondas excitatorias a las células vecinasen respuesta de algunas señales.
6. Reciben señales del medio a través de las proteínas receptoras de membranas.
7. Participan en el transporte selectivo de sustancias entre la célula y el medio.
8. Incorporan grandes moléculas mediante el mecanismo de fagocitosis.
9. Confieren especificidad antigénica a la célula.
Transporte de sustancias a través de las membranas
Por su naturaleza apolar la bicapa lipídica de la membrana plasmática actúa como
barrera impermeable para los iones y las moléculas polares con la excepción del agua.
El transporte de moléculas pequeñas a través de la bicapa lipídica se realiza mediante
proteínas transmembranales especializadas; estas moléculas transportadoras son muy
específicas y cada una acepta una determinada molécula o un grupo de ellas muy
relacionadas. El paso de moléculasmayores, como las macromoléculas, a través de las
membranas se produce por los mecanismos de endo y exocitosis, que serán estudiados
en el capítulo
21. Algunas moléculas apolares sí son capaces de atravesar libremente la
bicapa lipídica, ello depende de su solubilidad y tamaño.
(Fig. 20.12).
Existen mecanismos diferentes relacionados con el transporte de sustancias a
través de las membranas: en algunos casos el paso se produce sin la intervención de
transportador alguno
( difusión simple y ósmosis
), en otros, el paso ocurre con la
participación de alguna proteína transportadora (transporte pasivo
y activo
) o que
delimita un espacio por donde pasa la sustancia ( poros o canales ); y en otra$ ocasiones
el paso ocurre por movimientos de la membrana que incluye a la sustancia que se debe
transportar (endocitosis o exocitosis).
En el primer caso se trata de moléculas para las cuales la membrana plasmática es
permeable, lo que le permite difundir, esto dependerá únicamente de la diferencia de
concentración de dicho soluto fuera y dentro de la célula, o sea, de su gradiente de
concentración. La velocidad de difusión en este caso
es directamente proporcional a la
diferencia de concentración del
soluto.
Este tipo de transporte se realiza a favor del gradiente y no requiere de energía ni
de transportador, aunque en algunos casos, participan al ynas proteínas que forman
canales y permiten el paso de determinadas sustancias mediante el mecanismo de
- F;
apolares
Moléculas H20
Moléculas glucosa
polares mayores sacarosaE&
Bicapa lipídica
Fig. 20.12. Pcrrnealiilidatl selcitiv" de la
hieapa lipídiea.

17. 1 1 canal
Bicapa
Fig. 20.13. Mecanismo de difusi6n simple.
Éste ocurre a ti-a& dc la bicapa
lipídira ti cn alguna caros, a tra-
vés dc proteíiias que funcionan
cm10 canales.
(Tomado de Mi>lecula~. Biolegy
of thc cell. 1%. Alberts et al.. 19113).
Fig. 20.14. s) Des disi>liieiirnes dc ceiicen-
traciancs dif~r~ntcs dcl niisnio
soluto, sepanidas por una "IC~I-
hrana simipcrnieal>le qw pcrmilf
cl pasa dcl disolvente pcro ni, del
snlutii. El disulventc pasara del
ienipartinicnlii de
menor
eoiircri-
tracióii IC,) al de iiiqiii. cnnien-
trariiin IC,) hasta que se igualen
las conccntrecion~s en ambos la-
dui, h) ta eoluiiinn del líquido
sube
en
C. y hoja en C,. A la presión
que se ilrlw ejercrr en C' para
evitar el ascenso dc la rolumma dc
liquido sc denomina preiiiin
osniótira.
difusión simple (Fig. 20.13). Al igualarse las concentraciones de la sustancia
transportada, fuera y dentro de la célula el flujo neto se hace cero.
La ósmosis es un caso particular de la difusión simple, pues lo que atraviesa la
membrana es el líquido. Si en ambos lados de una membrana semipermeable existen 2
soluciones con concentraciones diferentes de un soluto que no puede atravesarla, se
produce el paso del solvente acuoso desde el ladodonde seencuentra la solución más
diluida hacia la más concentrada, hasta que ambas concentraciones se igualen. Se
conoce como presión osmótica a la fuena que hay que ejercer en el lado de la solución
máq concentrada ( C, en la figura 20.14) para impedir el paso del agua desde el lado de
la solución más diluida (C, en la figura).
Membrana semipermeable
Transporte mediante pmteúias
Poros o canales
El transporte con la participación de proteúia puede ser por poros o canales y en este
caso el mecanismo es similar alde difusiónsimple, comose ha señalado. Los canales y los
poros son proteínas transniembranales que delimitan espacios a través de los cuales se
realiza el paso de algunas sustancias; los poros son menos selectivos y dejan espacios
mayores, un ejemplo lo constiiuyen los pom de la membrana nuclear. Los canales poseen
mayor selectividad en cuanto
a la sustancia que los atraviesa, esta selectividad parece
estar relacionadacon
su tamaño
y carga, pues no presentan sitios de unión
paraellas. A
diferencia de los poros, que siempre se mantienen abiertos, la apertura y cierre de los
canales están regulados por determinados ligandos u otras señales, un ejemplo 10
constituyen los canales del Na'.

18. En el transporte pasivo participan proteínas transmembranales conocidas como
permeasas o "translocasas" ,este tipo de transporte se realiza también a favor del
gradiente
y se
lellama pasivo porque no requiere deenergía.
Las proteínas transportadoras reconocen a la o las sustancias específicas
transportadas por ellas; tienen un wmportamiento similara las enzimas en cuanto a su
capacidad para saturarse, así como para experimentar inhibición de tipo competitiva.
La diferencia fundamental con las enzimas es que no transforman su ligando.
Cuando la proteína transportadora
es capaz de transportar sólo una molécula, se
dice que el proceso
es uniporte; cuando el paso de
una determinada sustancia depende
del trasporte simultáneo de otra, el proceso se denomina cotransporte. Éste se designa
como simporte si el paso de ambas sustancias se produce en el mismo sentido, en caso
contrario se conoce como antiporte.
En la figura
20.15 se
observa la forma de actuar de una proteína transportadora en
el caso de uniporte, ésta presenta
2 conformaciones; también se aprecia como el paso
de una a otra resulta esencial para la realización de su función. En la figura
20.16 se
puede apreciar la diferencia que existe en el comportamiento en la velocidad de
transporte en el caso de la difusión simple
y la facilitada (transporte pasivo).
Bicapa
lipídica
n
Gradiente de
concentración
,
Proteína
transportadora
.....--a!:
3
_---
-
.e
,,--
' /, Difusión
facilitada
/ i
Km Concentración de la
molécula transportada
Las proteínas que intervienen en el transporte activo se conocen con el nombre de
bombas
y son proteínas transmembranales. La concentración de iones y otros
solutos
en el interior
y exterior de las células es diferente (tabla 20.2); esta diferencia es esencial en el mantenimiento de un potencial energético,debido a la existencia de un
Fig. 20.35. Mecanismo de transporte pasi-
vo. El cirmhio de conformacibn
resulta esencial para la función de
la proteína transportadora.
(Tomado de Molecular Uiology
of the cdl. U. Alberts et al., 1983).
Fig. 20.16. Cinética del transporte en el caso
de la difusión simple p la difusión
facilitada. Obsérvese que el com-
portamiento cinético cn el segun-
, da caso resulta similar al de las
enzimas.
componentes cePulares y anetica molecdar 383

19. gradiente deconcentración y a la diferencia de cargas eléctricas, lo que condiciona el
potencial electroquímico, este último está ligado a procesos fundamentales como la
generación del impulso nervioso, la contracción muscular
y la síntesis de ATP. El
mantenimiento de la concentración iónica diferente dentro
y fuera de la célula se
garantiza por la existencia del transporte activo.
Tabla20.2 Concentración iónica (ml3q.C') dentro y fuera dela rnenibrana celular, en
mamíferas
Componente Concentración intracelular Concentración extracelular
Cations
Nn*
K*
Mg2*
ea:*
H+
Aniones
L1-
Nota: Tanihién mnstituycn animes numerosas los ácidos nucleicos y otras sustancias
El transporte activo se realiza en contra del gradiente de concentración, por lo
cual requiere de energía, un ejemplo típico y muy estudiado lo constituye la enzima
adenosín hifcsfatasa dependiente de Na' y K* (ATPasa N¿*-Kidependiente), esta enzima
constituye una bombaque utilizala energía de hidrólisis del ATPpara extraer
3 iones Na'hacia el espacio extracelular e incorporar
2 iones
K' hacia el interior de la misma
célula (Fig. 20.17). Puede comprobarse cómo se le une un grupo fosfato del ATP, lo
cual condiciona el cambio conformacional que le permite realizar so función.
La bomba de Na+-K'contribuye a regular el volumen celular, ya que coopera para
mantener la concentración de solutos dentro
y fuera de la célula donde las
macromoléculas y otros compuestos cumplen funciones importantes.
2
Fig. 20.17. La honiha de Na+-K* reqiiierr energía en furnia de ATP para su acción. La proteína se
fosforila y experimenta una traaisri,i>forniaeión, la cual resulta necesaria para realizar su
función. Al deefusfurilarse la I>ainl>ii recupera su conformaeiún inicial.
(Tomado
de
Maleeular Bielogy of the rd. R. i\lbcrts et al., 1983).
384

20. Potencial de membrana en reposo
La diferencia del contenido iónico dentro y fuera de las céliilas condiciona una
diferencia de potencial eléctrico, donde el interior de la célula es más negativo que el
exterior; esta diferenciase debe en gran medida al funciouamiento de las bombas,en
especial a la ATPasa Na--K' dependiente,
ya que provoca
en so acción un deshalance
instantáneo de cargas por la salidade 3 iones de sodio y la entrada de 2 de potasio. A
esta diferencia contribuye, adeinás, la presencia de proteínas aniúnicas de forma
predominante en el interior de la célula.
Ladiferencia de potencial entre el exterior y el interior de lai ctlulas oscilade -20 a
-200 mv
y el valor en muchos tejidos, como el
riervioso, es de -70 mv.
Si por alguna causa, como pudiera ser la entrada de iones de sodio al interior de la
célula, la diferencia de potencial se hace menor, se produciría una despolarizaciúii. Por
el contrario,si la entrada de ionescloruro (CI-) ola salida de K+ provoca unincremento
de la diferencia de potencial con respecto al wlor de reposo, en ese caso se produce
una hiperpolarización. Estos cambios de los valores de potencial en las células
excitables están relacioiiados con la trasniisión del impulso nervioso (rapitulo 64) y
otros procesos fisiológicos.
Diferenciación de la membrana plasmátiea
La membrana plasinática de algunas células experimentan diferenciaciones
relacionadas con su especialización, ello permite que cumplan mejor su función; de
esia manera se puede encontrar la structura en forma de reborde "en cepi1lo"presente
en los túbulos renales; o las diferenciaciones que hacen posible la unión
o adherencia
con otras células
como los desmosomas o nexus, o la disposición característica de la
membrana plasmática de las células de la mucosa intestinal; en este último caso se
compmeba la presencia de abundantes proyecciones finas del citoplasma cubiertas
p>r la membrana plasmática denominadas microvellosidad6 (Fig. 22.18), que aumentan
viy. 21J.18. En la niiri-ofotoprafia puede
ohserrarse el rihorde en cepillo
de la inuiess intestinal. l.%
mirroiello~id.des inerrrnrntm
iiotahleiiicnle la superficie de ah-
coreih
('l'omado de Histalogia. D. Frrrer.
Cuarta edición, 19751.

21. considerablemente la superficie de absorción efectiva, aspecto fundamental en la
función de dichas células.
Resumen
Las membranas
biol6giras son organizaaones supramacromoleeulares flexi-
bles y fluidas, formadas fundamentalmente por Iípidos y proteínas en proporciones
variables según
el tipo de
célula y la loeaüzaaón intracelular de la membrana
Además de üpidos y proteínas, las membranas animales suelen tener determi-
nados tipos de glúudos en
su composición, los üpidos presentes en estas estructuras
se caracterizan por ser
anfiphtieos y se organizan formando bicapas que confor-
man la estructura básica de las membranas.
Las proteínas pueden ser exúhecas o intrínsecas de acuerdo con su ubicación
en las superñcies o en el interior de la bicapa, respectivamente. Las
intrínsecas son
más abundantes y entre ellas se encuentran numerosas enzimas, las proteínas trans-
portadoras y los receptores de membranas.
Los gbícidos se encuenban unidos a proteínas o Iípidos formando glicoproteínas
o glicolípidos, se loealizan hacia la cara externa o luminal de las membranas y
contribuyen a la orientación de las proteínas.
La membrana plasm6tica está formada por una doble capa continua y delga-
da, que delimita a la célula y permite que
ésta se relacione con el medio; por fuera
de la
membrana plasmhtica existe una cubierta celular que la cubre y protege. Las
funciones de esta membrana son variadas, pero el paso selectivo de sustancias es
una de las funaones más importantes.
La bicapa Lipídica resulta permeable a las moléculas apolares, e impermeable
a los iones y moléculas polares con la excepaón del agua. La incorporación de
maeromoléculas a través de las membranas se produce por el mecanismo de
endocitosis que ser4 objeto de estudio en el capitulo 21.
Los mecanismos de transporte de sustancia a través de la membrana son de 3
tipos: difusión simple, transporte pasivo y transporte activo. En el primer caso no
se requiere de transportador
ni de energía y el paso del
soluto se realiza a favor del
gradiente. El transporte pasivo se
realiza
tambihn a favor del gradiente de concen-
tración, pero se requiere
la
presencia de una proteína transportadora aunque no se
precisa de energía. El transporte activo requiere la participación de algunas pro-
teh conocidas como bombas, que funcionan con consumo de energía; el paso de
sustancia en este caso se reaiiza en contra del gradiente de concentración, un ejem-
plo típico de esíe tipo de transportador lo constituye la ATPasa Na'-K+ dependiente.
Las membranas plasm5ticas experimentan diferenciaciones relacionadas con
la especialización celular, que le permiten a la célula realizar de manera más
eficiente su función.
Ejercicios
1. ;Por qué las menibranas biológicas constihiyen estruciuras supraii~acromoleculares?
2. Enumere los componentes fundan~eiitales de las membranas biológicas y explique
las proporciones en que ellos sc encuentran.
3. ;Cuál es la propiedad común que tienen los
lípidos presentes en las membranas
biológicas
y diga por qué esta propiedad es fundamental para constituir la estructu-
ra básica de las membrana?
4. Enumere los distintos tipos de Iípidos y explique
cómo se disponen en las membra-
nas.
5. Cite losdistintos tipos de proteínas presentes en las membranas biológicas y expli-
que las diferencias entre ellas.

22. 6. Mencione las distintas funciones que cumplen las proteínas en la membrana
plasmática.
7. Explique la importancia del carácter informacional en la realización de las funcio-
nes de las proteínas de membrana.
8. Expliquela disposición de los
glúcidos en la membrana plasmática.
9. Cite las funcionesde la membrana plasmática.
10. Establezca una comparación entre la difusión simple y el transporte pasivo en
relación con requerimientos energéticos, necesidad de proteína transportadora
y
dirección del flujo de sustancia.
11. Establezca una comparación entre el transporte activo y pasivo. Refiérase a los
3
aspectos indicados en el ejercicio numero 10.

23. Entre las caracterktim que distinguen a una célula eucariota típica, junto con la
presencia de un núcleo bien delimitado, se encuentra el hecho de que estas células
poseen, además de la membrana plasmálica, un complejo sistema de membranas inter-
nas denominados sistema de endomembranas
Este complejo sistema parece ser imprescindible para el mantenimiento de la
actividad vital de las células que tienen un volumen relativamente grande. El sistema
de endomembranas está ausente en las pequeñas células procanatas.
La extensión del sistema de endomembranas se deduce cuando se conoce que, en
las células eucariotas típicas, estas endomembranas representan del
95 al 98 % de
todaslas membranas celulares,de modo que la membrana plasmática que rodea a la
célula sólo es una pequeña fracción del total de ellas.
Las endomembranas no son homogéneas, presentan un definido grado de
diferenciación y especialización que conduce a la formación de organelos subcelulares
distinguiblesdesde los puntos devista estmctural y funcional, por lo que resulta muy
válido estudiar estos componentes celulares bajo la denominación de organelos
membranosos internos (Fig.21.1).
Tipos de organelos
membranm internos
Los organelos membranosos internos de las células eucariotas son: retículo
endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas, mitocondrias, membrana
nucleary cloroplastos.
El retículo endoplasmático constituye la mayor fracción del sistema de
endomembranas, representa del
50 al 70 % de las membranas internas, posee 2
variedades: el retículo endoplasmático liso
y el retículo endoplasmático rugoso.
El aparato de Golgi representa entre
5 y 10 % del total de las endomembranas,
mientras que los lisosomas y
peroxisomas representan menos del 1
%.
Estos 4 organelos membranosos se estudian detalladamente en este capítulo, las
mitocondrias
y la membrana nuclear se tratarán en otros capítulos las primeras se
estudiarán en la respiración celular (sección
VI) y la segunda cuando se estudie el
núcleo celular (capítulo
23).
Los cloroplastos son organelos membranosos típicos de las células vegetales
(capitulo 45).

24. Fig. 21.1. Imagen de una célula eucariontf
vista por medio del rniiroarapio
electrónico. Ohsérvesc la prcsen-
ria en el interior celular de nume-
rosas estruettiras de aspecto
mernbranoao.
(Tomado de Priniipes de Biochimie.
AL. Lehninger, 1985).
Retículo
endoplasmáti
rugoso
Lisosoma
Peroxisoma
Aparato de
Golgi
Nucléolo
Mitocoodrias
Núcleo
Membrana
plasmática
Estructura general de las endomembranas
Si bien la composición exacta de cada una de las membranas que integran los
organelos membranosos intracelulares difiere de uno a otro, todos ellos presentan una
estructura general común que responde al modelo de mosaico fluido. Esto significa
que las membranas intracelulares presentan una doble capa de lípidos donde se
encuentran diferentes proteínas; estos constituyentes se mantienen unidos mediante
interacciones débiles. Las diferencias de composición se refieren al tipo
y proporción
de los diferentes
lípidos de la bicapa
y a las
proteínas que están asociadas.
Los organelos membranosos internos de la célula se distinguen además por la
forma de organizarse en el espacio intracelular.
Algunosorganelos membranosos,como las mitocondrias,presentanen su estructnra
una doble membrana pero la mayoría posee una sola. Todas estas diferencias de los
organelos membranosos se relacionan con
la función que desempeñan en el
metahlismo
celular.
Funciones
generaies de los organelos membranosos
Cada organelo membranoso realiza funciones propias, que en conjunto posibilitan
funciones como:
1. Compartimentación. El sistema de endomembranas divide el espacio celular en
compartimientos, a su vez mantiene separadas diferentes sustancias que participan
en el metabolismo, como las enzimas, los sustratos y los cofactores; esto hace que
cada organelo membranoso constituya un reducto metabólico casi independiente
del resto de la célula, lo que posibilita que en una célula puedan ocurrir, de manera

25. simultánea, procesos metabólicos incompatibles de producirse en un mismo
comparümiento.
2. Establecimiento de gradientes de concentración. El carácter semipermeable de las
membranas biológicas posibilita que a través de ellas se establezcan gradientes de
concentración de diferentes sustancias, estos gradientes de concentración repre-
sentan determinada energía potencial que puede manifestarse durante varias fun-
ciones celulares.
3. Disponibilidad de áreas de superficie. Muchas funciones celulares sólo pueden
realizarse en las membranas o a través de ellas. Los organelos membranosos pro-
veen extensas superficies donde se producen diferentes reacciones metabólicas, y a
través
deestas áreasseUeva a cabo
el intercambio de sustancia entre compartimien-
tos.
4. Incremento de las velocidades de los procesos metabólicos. En relación con los 2
aspectos anteriores se encuentra la función general de las endomembranas de ace-
lerar la velocidad con que pueden ocurrir, en el interior de las células, determinados
procesos dependientes de la difusión de sustancias. La compartimentación reduce
los espacios intracelulares, donde los sustratos deben difundir para interaccionar
con las enzimas que los transforman; por otra parte, muchos sustratos difunden en
las
2 dimensiones determinadas por las membranas, lo cual
incrementa demanera
extraordinaria la velocidad para tener acceso a los sitios activos de enzimas locali-
zadas en la propia membrana.
5. Generación de nuevas membranas. Hasta donde se conoce, las membranas biológi-
cas sólo se forman por crecimiento de membranas preexistentes. El sistema de
endomembranas provee un soporte que posibilita el crecimiento de las propias
membranas, lo cual resulta imprescindible para el ciecimiento y la multiplicación
celulares.
Relaciones entre los organelos membranosos
La diferenciación de los organelos membranosos y su
delin~itación de
compartimentos celulares separados, no implican que los organelos son totalmente
independientes. Los organelos membranosos establecen importantes relaciones
estructurales
y funcionales entre sí; éstas son un área de intensa investigación en la
actualidad.
El retículo endoplasmático es el organelo membranoso más abundante en la
mayoría de las células
eucariotm, gran parte del interior celular se encuentra ocupado
por el conjunto de membranas que componen este organelo.
En las secciones celulares preparadas para obtener imágenes de microscopia
electrónica, el retículo endoplasmático aparece como un conjunto de espacios muy
aplanados rodeados por una membrana; se considera que este organelo
es un
enorme
saco membranoso único, muy replegado y comprimido, conectado también por una
serie de finos tubos (fig. 21.2).
El espacio encerrado dentro del retículo endoplasmático constituye un
compartimento intracelular independiente y suele denominarse lumen o espacio
cisternal. La separación entre las membranas del retículo endoplasmático es de
20 a 30 nm, éste también presenta continuidad con la membrana nuclear externa
Y en él se distinguen 2 porciones diferentes, tanto desde los puntos de vista
estructural como funcional (fig. 21.3).
El retículo endoplasmático rugoso se caracteriza por presentar gran cantidad de
nbosomas unidos a la cara externa desus membranas, que le da el aspecto que origina
Fig. 21.2. Esquema del retículo
endoplasmático. Nótese que
se
distinguen porciones
con aspecto
de sacos aplanadas, micntras en
otras nonás existen tubos
inembranosos finos qrre iirterco-
neitan los anteriores.
(Tomado de Moleeular Biology
of the cell. B. Alberts et al., 198.1).

26. RE rugoso RE liso
IFig. 21.3. Imagen al niicn,sropiii rleelróni-
co dc una seceiijn de célula. don-
de
se
obserraii porciones del retí-
culo endoplasniático: reticulo
endoplasmYieo liso (RE lisni y re-
tículo endoplasniátiw rugoso (RE
rugoso). Puede iipreciarsc el asper-
to diferente de anihas porciones
del retículu.
(Tomado de Molerular Biulogy of
thc ccll. B. Alherts et al., 1983).
Fig.
21.4.
Relículo endopla~máticu rugoso
(RE rugosa) en un corte de célula
observado al microscopio electró-
nico.
Las membranas del
retículo
endoplasmático rugoso forman
cisternas
con
aspecto de sacos ma)
aplanados y apiladus.
(Tomado de Molecula~. Biology uf
the cell. B. Alberts et al., 1983).
su denominación; su organización es en forma de sacos aplanados y apilados llamados
cisternas (fig. 21.4).
El retículo endoplasmático rugoso está presente en todas las células nucleadas,
pero es mucho más abundante en células secretoras que sintetizan proteínas las que
luego son exportadas al exterior de la célula.
El retículo endoplasmáticolisoes continuación del mgoso y representa porciones
del retículo endoplasmático desprovistas de ribosomas; se organiza en forma de finos
tubos interconectados con las cisternas del retículo endoplasmático rugoso; además
es
muy abundante en las células que sintetizan
Iípidos de forma activa, aunque en general
representa sólo una pequeña fracción del retículo endoplasmático (Fig. 21.3).

27. El término "microsoma", que aparece con frecuencia en textos de bioqnímica,
se utiliza para denominar pequeñas vesículas que se originan por fragmentación
y sellaje del retículo endoplasmático, al someter las células bajo técnicas de
homogeneización. Según la porción del retículo endoplasmático donde se originan,
se formarán microsomas rugosos o lisos que pueden ser separados mediante
centrifugación; aunque estos microsomas no conservan toda la estructura del
retículo endoplasmático, han resultado muy útiles en el estudio de algunas
características de este organelo membranoso.
La función del retículo endoplasmático rugoso es fundamentalmente la síntesis
de proteinas -en especial glicoproteíuas. Las prnteinas se sintetizan en los
ribosomas que tapizan la superficie externa del retículo endoplasmático rugoso;
hoy se sabe que estos ribosomas unidos a este retículo son idénticos a los que se
encuentran libres en la célula.
En la actualidad seconsidera qnela mayoría o todas las proteínas sintetizada en
el retículo endoplasmático rugoso comienzan su síntesis en los ribosomas libres pero,
una vez formado el péptido señal (capítulo 46), una "partícula reconocedora de señal"
se unea éstee impide la continuación de la síntesis. Esta partícula interviene también
en el reconocimiento de receptores específicos en la superficie externa del retículo
endoplasmático rugoso. Una vez unido el ribosoma a la membrana, la unión se estahiliza
y la síntesis proteínica continúa.
Esta síntesis de proteínas se produce de modo que la cadena polipeptídica en
crecimiento surge hacia el espacio del lumen o bien queda incorporada a la membrana
(incorporación cotraduccional) (Fig. 21.5).
Además del proceso biosintético descrito,se sabe que algunas proteínas sintetizadas
en los ribosomas libres pueden ser incorporadas a las membranas del retículo
endoplasmático rugoso
y a otros
organelos membranosos (incorporación pos-
traduccional); para estos casos hay evidencias muy claras de que existen secuencias
señales específicas
y de que, al menos en algunos de ellos, el proceso requiere el
consumo de energía.
Se plantea que posiblemente todas las proteínas sintetizadas en el
retículo
endoplasmático rugoso experimentan un proceso de glicosilación; no existe acuerdo
de que este proceso de glicosilación se inicie en el retículo endoplasmático mgoso o
sea privativo del aparato de Golgi.
Se ha postulado que la glicosilación de las proteínas sintetizadas en el retículo
endoplasmático rugoso puede ocurrir simultánea al crecimiento de la cadena poli-
Eliminación del péptido señal Cadena poli&ptidica terminada
con péptido señal eliminado
Fig.
21.5. Síntesis de proteínas en el retícu-
lo endoplacmático nigoso. La sin-
tesiseomienzaen ribosomas libres,
pero
una vez formado el péptido
señal
el
complejo se une a la su-
perficie externa del retículo
endoplasmático, y la unión
se estabiliza por proteínas específicas,
postcriormcnte la síntesis de pro-
teínas continúa.
(Tomado
de
Molecular Biology of
the rcll. B. Alberts et al., 19113).
Componentes celulares y Oui&ica mkcular 393

29. procesamiento de glicosilaciones -sobre todo en residuos de serina y treonina-,
modificación de los oligosacáridos unidos a radicales de asparagina, proteólisis parcial,
sulfatación y adición de ácidos grasos. Todos estos cambios son cataii7ados por enzimas
localizadas en el sistema de cisternas del Golgi.
Las biomoléculas que maduran en el aparato de Golgi emergen a través de su
región trans -aunque también de algunas cisternas intermedia$- en forma de vesículas
que siguen diferentes destinos dentro de la célula (fig. 21.7).
..
Membrana plasmática basal
El aparato de Golgi tiene uiia participación destacada en la preparacibn
y
concentración de
proteínas que son secretadas por la célula; de hecho el aparato de
Golgi está muy desarrollado en las células que realizan esta función secretora.
Los productos de secreción uiia vez maduros y concentrados seseparan del aparato
de Golgi en forma de yesictila\. donde ruele ocurrir una concentración ulterior. Las
vesículas de secrecibii se adoiaii a la iiirinhrana plasmática
y se fusionan con ésta y
vierten su contenido al exterior de la
celula, en un proceso denominado exocitosis,
que se produce ante estímulos específicos.
Los lisosomas son yesículas 'meinbranosas de tamaño
y forma diversos, cuya
heterogeneidad obedece
a las distintas etapas evolutivas de su ciclo funcional;
constituyen
orgaiielos que están implicados en la degradación de diferentes
biomoiéculas, por lo cual se les compara con un aparato digestivo intracelular. Esta
Fig. 21.7. I'roceso dc maduración de
biumolliulas en el aparato de
Golgi.
Las
hiomelbcuias ingresan
al
aparato de
Golgi por su región
iis y se van trasladando hacia la
región trans,
en
cuy trinsita ru-
frcn modifieaeionrs de distinto
tipo.
Las
Ihiamoléeulas maduras
emergen en forma de vesículas que
siguen diferentes destinos en la
célula.
(Tomado de Molecular Biologs of
the ecll. B. Alherts et al., 1983).
-
Componentes celulares y Genética molec~phr 395

30. Fig. 21.8. Aspecto de los lisosomas prima-
rios y secundarios en una imagen
de microseopia electrónica.
Lisosoma primario (LP) y lisosoma
secundario (LS).
(Tomado de Molccular Biologv of
the eell. B. Alberts et al., 1983).
función típica de los lisosomas se realiza gracias a las enzimas hidrolítieas que suman
varias decenas de diferentes hidrolasas, capaces de actuar sobre los distintos sustratos.
Las enzimas lisosomales se sintetizan en el retículo endoplasmático, de donde
pasan al aparato de Golgi. Las enzimas lisosomales se caracterizan por ser glicoproteinas
y poseen un pH óptimo en la región ácida. El lisosoma, como organelo independiente,
se origina por evaginaciones del aparato de Golgi en forma de pequeñas vesículas de
05 pm de diámetro, que se denominan lisosomasprimarios (fig. 21.8).
La membrana de los lisosomas posee una bomba de protones (H') dependiente de
ATP, que mantiene el interior de este organelo en un valor de pH cercano a 5,0, en
correspondenciacon el valor ópthode pH para la acción de las hidrofasas que contiene.
Las
caraeterísücw de permeabilidad de esta membrana son tales que, mienhas mantienen
separadas sus potentes hidrolasas del resto de la célula, permiten la salida de los
productos de degradación de las biomoléculas que son digeridas.
Los mecanismos, mediante los cuales las enzimas lisosomales son dirigidas hacia
la formación de este organelo, no están del todo aclarados, pero se les ha atribuido un
elevado significado a la presencia en las enzimas lisosomales de un oligosacárido que
contiene manos 6 fosfato,lo cual se considera un marcador específico de estas enzimas
y que pudiera participar en interacciones con receptores vinculados a su transporte
intracelular.
Los üsosomas participan en el recambio normal de los componentes celulares y en
la digestión de materiales provenientes del exterior celular; también intervienen en la
remodelación de tejidos durante la embriogénesis y el desarrollo, e incluso en
mecanismos emergentes de supervivencia celular ante un inadecuado suministro de
nuhientes.
En su funcionamiento los lisosomas primarios dan origen a diversos tipos de
lisosomas secundarios de variada morfología, cuya nomenclatura diverge de un autor
a otro. Resulta de interés referirse a 2 tipos de lisosomas secundarios, ya que sus
denominaciones se basan en el origen del material en proceso de digestión localizado
en su interior, los autofagosomas (lisosoma secundario autofágico)
y los
heterofagosomas(lisosoma secundario heterofágico).
Los heterofagosomas son vesículas digestivas que se forman por la fusión de
lisosomas primarios con vesículas heterofágicas, constituidas por invaginaciones de
la membrana plasmática que incluyen en su interior material proveniente del exterior
celular (fagocitocis y pinocitocis).
La fagocitocis y la pinocitocis son 2 variantes de un proceso general denominado
endocitocis; como su nombre indica, la endocitocis consiste en la incorporación al
interior celular de material proveniente del exterior. En el caso de la fagocitocis el
material incorporado es relativamente voluminoso (virus, bacterias, fragmentos de
otras células y complejos supramacromoleculares), mientras que la pinocitd se refiere
a la incorporación de moléculas o pequeñas porciones del medio extracelular.
El mecanismo general de la endocitocis consiste en la invaginación de la membrana
plasmática, con formación de una vesícula donde queda incluido el material endocitado;
por tanto, la membrana que rodea este material tiene su origen en la membrana
plasmática. Al menos, en algunos casos el mecanismo de endocitocis se desencadena
por la unión del material que será endocitado en los receptores específicos localizados
en la propia membrana plasmática.
Los autofagosomas se forman por la fusión de lisosomas primarios con vesículas
autofágicas, que contienen en su interior material procedente de la propia célula. El
origen
y formación de las vesículas autofágicas se desconoce. En la figura 21.9 se
representan estos procesos de autofagia
y beterofagia. Al
lisosoma secundario que
contiene en su interior material que noes digerible se te denomina cuerpo residual.
Se ha descrito un numeroso grupo de enfermedades hereditarias debidas a
deficiencias de algunas de las enzimas lisosomales; estas enfermedades de
"ates0ramiento"con frecuencia afectan el normal desuroUo del sistema nervioso central
y de otros órganos. Es común observar en células de pacientes
con estas afecciones un
gran número de lisosomas distendidos
y "abarrotados", con el
sustrato no digerido de
la enzima que está en déficit (fig. 21.10).

31. Membrana plasmática
Fagocitosis
Fig. 21.9. Esquema representativo de los
evenloa que ocurren durante la
autofagia (a) y durante la
Iieterofagia (b).Lisosuma primario
(LP). Autafagosoma y hcternfago-
sonis. En ambas casos, una vez
englobado en una vesícula el ma-
terial
a digerir,
sc produce la fu-
sión
ron
lisosomas primarios y se
inicia la degradación de las biomo-
Iéculas secuestradas.
(Tomado de Maleeular Biolugy of
thc iell. B. Alberts el al., 1983).
Los lisosomas también están implicados en otro tipo de alteraciones, como los
procesos iníiamatorios y degenerativos. En otras partes del texto se hará referencia a
algunas de estas enfermedades.
Los peroxisomas son pequeños organelos membranosos de forma esférica, que en los cortes estudiados al microscopio electrónico, suelen presentar en su interior zonas
de aspecto cristalino (fig. 21.11).
En la mayoría de las células los peroxisomas no rebasan los 025 pm de diietro,
pero en algunas, como las del hígado
y el riñón, alcanzan
0,s pm.
Los peroxisomas se originan por vesiculación del retículo endoplasmático que,
en ocasiones, se les observa unidos por porciones tubulares. No obstante, la mayoría de
las proteínas de los peroxisomas son importadas desde el citoplasma.
Si bien el contenido enzimático de los peroxisomas es variable de un tipo celular
a otro, en todos los casos parecen estar presentes enzimas que intervienen en el metabo-
del peróxido de hidrógeno (H,O,). En efecto, la catalaia participa en la oxidación
dealgunassnstancias, utilizandod&ectamenteel oxígeno molecular según la reacción:
Fig. 21.10.
Imagen de niieruscopin clertró-
nira de células provenientes dc uii
paciente afectado con la enferme-
dad de Ta! -Sacfis. Lisosomas sc-
tundarios (1.S): Obsérreiise los
lisosonias secundarios dilatados
por inateri:il de tipo iipídiro
(gangliósidos) no digerido.
(Tomado de Prinripcs de Riocliimie.
1.. I.dininger, 1982).

32. Fig. 21.11. Peroxisomas vistos por medio
del microscopio electrúnico.
Peroxisomas (P) Obsérvense lar
zonas centrales de aspecto crirta-
lino earaiteristieas de estos
nrganelos.
(Tomado
de
hlolecular Biology of
the rell. B. Alherts et al.. 19831.
Fig. 21.12. Vesiculas cubiertas ohserradas
por medio del microscopio elec-
trónica. V&culas cubiertas (VC).
Estas estnicturas participan en el
"trasiego" de distintos eomponen-
tes entre diferentes membranas de
las células.
La
cubierta de aspccto
poliédrico está formada funda-
mentalmente por
la
proteina
clatrina.
fTomadu de Molecular Biology Of
the eell. B. Alberts ct al.,
19831.
Por su parte la
peroxidasa tiene a su cargo la descomposición del H,O,, una
sustancia potencialmente dañina para la célula:
Los peroxisomas intervienen en procesos de detoxificación, y en algunos tejidos
pneden participar en la degradación de ácidos grasos. En las plantas estos organelos
cumplen diversas funciones que incluyen procesos metabólicos que permiten a sus
células convertir ácidos grasos en glúcidos, lo cual es imposible en las células animales.
Relaciones del
sistema de endomembranas
Como se señaló inicialmente el sistema de endomembranas se encuentra
relacionado de maneras estructural y funcional; ejemplo de estas relaciones son
las que se establecen entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi, así
como entre los peroxisomas y los lisosomas. Sin embargo, hoy día se atribuye
una función vital en las relaciones entre membranas y vesículas membranosas
que establecen conexiones no sólo entre los organelos del sistema de
endomembranas, sino de éstos con la propia membrana plasmática; estas
vesículas constituirían verdaderas unidades para transportar componentes de
membranas
y proteínas específicas entre las diferentes membranas celulares.
Cuando las vesículas de secreción se fusionan con la membrana plasmática no
sólo vierten su secreción
al exterior, sino
que su membrana se integra a la plasmática.
También se ha observado
que los componentes de estas vesículasson reciclados, de
modo que también se forman vesículas
porinvaginación de la membranaplasmática,
las cuales se integran de nuevo al sistema de endomembranas; esto explica que no se
produce
un crecimiento
üimitado de la membrana plasmática en las células secretoras,
además, tiene un sentido económico dado por la reutilización de algunos
componentes de las propias vesículas secretoras. Relaciones similares parecen estable-
cerse entre otros organelos membranosos, aunque el retículo endoplasmático y el
aparato de Golgi se encuentran en el centro de estos vínculos.
Las vesículas transportadoras explican el crecimiento de otras membranas a
partir de la incorporación de algunos componentes al retículo endoplasmático. Con
frecuencia estas vesículas se observan envueltas por una capa de aspecto poliédrico,
a las cualesseles hadenominado vesículas cubiertas, y el componente fundamental
de su envoltura es una proteína denominada clatrína (fig. 21.12). Probablemente la
formación y separación de la cubierta de clatrina guarde relación con la orientación
de estas vesículas hacia diferentes compartimientos celulares.
Además de estas vesículas de transporte, en el interior de las células existe una
llamada proteína transferidora de fosfolípidos, que traslada moléculas de este tipo de
Iípidos entre diferentes organelos membranosos como pudieran ser el retículo
endoplasmático y las mitocondrias. Sin dudas, el conocimiento sobre las
complejidades estructural y funcional del sistema de endomembranas se encuentra
en su inicio.
Resumen
Las
c6lulas eueariotas presentan en su interior un complejo sistema de mem-
branas,
las cuales componen un
diverso coqjunto de organelos membranmm
intraeelulares.

33. Los organelos membranow intracelularrs son: el reticulo endoplasmático, el
aparato de Golgi, los lismmas, los peroxisomas, las mitoeondrias, la membrana
nuclear y los elomplastos.
Los cloroplsstos do se encuentran en células que llevan a cabo el proceso de
fotosíntesis, el resto
está
praente con mayor o menor desarrollo en la mayoría de
las células eucariotas.
La estructura general de las endomembranas se corresponde con el modelo de
mosaico fluido,
cada
organelo membranoso se diferencia de los demás por las
composiciones tipídica y proteica de m membranas y el modo de organizarse
&as.
Las funciones generales que reaüzan los organelos membranasos son las si-
guientes:
-
2. Establecimiento de gradientes de concentración.
3. Disponibilidad de áreas de superñcie.
4. Incremento de la velocidad de los procesos metabótim.
5. Generación de nuevas membranas.
El retlculo endoplasmático es el organelo membranoso más extenso; sus fun-
ciones se relacionan con la síntesis de proteínas que han de ser exportadas al exte-
rior de la célula, la modificación estmctural de estas proteínas y la síntesis de
tipidos. En algunas células también realiza funciones de detoxiñcación.
En el retículo eudoplasmáüco se distinguen
2 porciones denominadas
reticulos
endoplasmaíticos liso y mgoso, cuya diferencia fundamental es la presencia de
ribosomas asociados a la superficie externa del segundo.
El aparato de Golgi es un centro procesador y distribuidor de macromoléculas
en el interior de las células. Este aparato interviene en la modificación pastradufoón
de numerosas proteínas. Estas modificaciones son glimilaciones y modiñcaciones
de los oligosacáridos unidos a las proteínas, pmteólisis parcial, sulfatación y adi-
ción de dcidos grasos.
El aparato de Golgi adopta una estructura peculiar formada por una serie de
sacos aplanados de superf~cie lisa, cuyos coqjuntos se les denomina dictiosomas.
Los productos madurados en el aparato de Golgi salen al exterior de las células o
son distribuidos a otros compartimientos intracelulam a través de vesículas de
transporte.
Los lisosomas constituyen centros de la digestión intracelular de numerosas
biomolécuias; ellos se caracterizan por poseer numerosas bidrolasas cuyo pH óp-
timo se encuentra en la zona ácida. Se originan en el aparato de Golgi en forma de
pequeñas vesículas denominadas tisosomas primarios; estos lisosomas primarios,
por fusión con otras membranas, dan lugar a lisosomas secundarios de tipo
autofspico o beterofágico según el origen del material que se digiere en su interior.
La deficiencia hereditaria de enzimas lisosomales ocasiona diversas enfermeda-
des.
Los
peroxisomas son pequeños organelos membranosos en forma de vesículas
que suelen presentar en su interior un contenido de aspecto cristalino; debido a sus
has, intervienen en reacciones de oxidación de diferentes sustancias y, en espe-
cial, en la descomposición del 50, el cual se forma en estas reacciones y puede
dañino para la célula.
Todos los organelos membranosos intracelulam presentan relaciones estnic-
-ales y funcionales entre sí; estas relaciones pueden ser por conünuidad Física de
membranas o, lo que es
más común, por la comunicación que se establece entre
Componentes celulares y
Gedtica molecular 399

34. ellos y con la membrana pldiica por medio de las vesículas de transporte.
'Igmbién una proteína transferidora de fosfolípidos eontnbuye al intercambio de
componentes entre los diferentes organelos membranosos.
Ejercicios
1. Enumere todos los organelos intracelulares que están formados por membranas.
2. ¿Cuál es la estructura general de las membranas que constituyen a los organelos
membranosos intracelulares? ;Cuáles características las distinguen?
3. Explique las funciones generales de los organelos membranosos.
4.
¿Cuáles son las características estructurales y funcionales de las 2 porciones del
retículo endoplasmático?
5. Explique cuáles son los mecanismos que intervienen en la unión de los
ribosomas
con el retículo endoplasmático rugoso.
6.
¿Cuál esla participación del retículoendoplasmáticoen la formación de membra-
nas intracelulares?
7.
¿Cuáles son las características estructurales y funcionales del aparato de Golgi?
8. :Mediante cuál mecanismo los productos madurados en el aparato de Golgi alcan-
zan otras localizaciones?
9.
¿Cuáles son las funciones generales de los lisosomas y cómo se asegurael cumpli-
miento de estas funciones?
10. ¿Cuáles son las diferencias entre un lisosoma primario, un autofagosoma y un
heterofaeosoma? -
11. ¿Cuáles son las características estructurales y funcionales de los peroxisomas?
12. ;,Cómo se establecen las relaciones estructurales y funcionales entre los diferentes
organelos membranosos?

35. El citoplasma se consideraba una fase soluble amorfa, y aunque desde hace un siglo
se planteó por algunos investigadores la presencia deesiructuras traveculares en &,estas
estrnctnmsediemn por artefactos h&qne,apíohdamente2déca&ah;is,mmediante
técnica$ especiales de microscopia electrónica, quedó establecida la existencia de tal
esqueleto celular. Entonces hoy, citosol es el término más usado para designar el medio
interno acuoso,donde se hallan losorganelos y las moléculas disueltas intracelularmente,
lo que equivaldría a la antigua concepción del citoplasma amorfo.
El citoesqneleto es una compleja red de filamentos
y
microhibulos que atraviesa
el citoplasma
y determina la forma de cada célula,
asícomo su organización estmctural
interna. Diversos tipos de movimientos celulares están asociados con esta fina red
tridimensional de estructuras proteínicas que conforman el citoesqueleto.
Los principales avances logrados en el conocimiento de esta dinámica estructura
subcelular derivan de estudios realizados en músculos
y en tejidos, cuyas células
presentan cilios o flagelos,
los cuales poseen funciones evidentemente asociadas al
movimiento mecánico. Los componentes moleculares presentes en estas estructuras,
están también en aquéllas que conforman el citoesqueleto de todas las células. Los
filamentos
y microtúbnlos
que participan en los movimientos del músculo y de los
cilios presentan propiedades muy semejantes a las observadas en el citoesqneleto,
pero difieren en estabilidad. Los movimientos del citoesqueleto son muy Iábiles y
cambiantes, mientras que los del músculo
y
delos cilios son más estables.
En este capítulo trataremos las características de los diferentes componentes del
citoesqneleto: los microfilamentos, los filamentos intermedios y los microtúbnlos.
Para ello
se estudiarán las interacciones que algunas drogas
mtablecen con algunos de
sus componentes moleculares, las cuales han servido de insustituible instmmento para
conocer su dinámica, y naturalmente se referirán las funciones que se hallan asociadas
a
estas organizaciones
subcelulares.
Por último se tratará de los gránulos bien definidos que permanecen en el interior
de algunos tipos de células especializadas
y a los cuales se les conoce como inclusiones
citoplasmáticas.
Citoplasma soluble
A la luz del microscopio óptico se denominó citoplasma al contenido delimitado
Por la membrana plasmática; algunos distinguieron una zona periférica que llamaron

36. Fig. 22.1. Esquema de la trama del
citoesqueleto. Se representan los
microfilamentos, los microlúbu.
los, la membrana
y otras
estructu
ras del citoplasma.
(Tomado
de
Prineipes de Biochimie.
AL. Ldininger, 1982).
exoplasma o plasmagel y una más fluida en el interior,el endoplasma oplasmasol. No
hay dudas de que el endoplasmaes unafaseacuosa,peroeshidios posteriores permitieron
descubrir la trama defüamentos y microtúbulos que le proporcionan una armazón, por
lo cual pasó a la historia la idea del citoplasma como un contenido amorfo. Ello no
niega que, a pesar de la existencia de los organelos y el reconocido citoesqueleto, hay
un medio interno representado por el citosol. El término, surgido del fraccionamiento
celular por medio dela centrifugación, se aplica a la fracción soluble que se obtiene
después de centrifugar un homogeneizado de tejido a elevadísimas velocidades. Este
citosol es particularmente abundante en las células poco diferenciadas; en éste se
hallan las proteinas y enzimas solubles de la matriz citoplasmática, entre estas últimas
se encuentran las de la glucólisis y las encargadas dela activación delos aminoácidos,
previo a la biosíntesis de las proteínas. Por supuesto que en esta fase acuosa también
se
hallan los distintos metaholitos que intervienen en las transformaciones químicas del
metabolismo
intermediario.
Los microfilamentos son estructuras que resultan de la polimerización de un tipo
fundamental de proteína: la actina;existen, por lo menos,6 tipos diferentes deactina
en las células delos vertebrados. Estas proteinas homólogas son codificadas por genes
diferentes, que determinan cadenas polipeptídicas con secuencias y propiedades muy
semejantes. El lector debe remitirse al capítulo 66 para profundizar en los aspectos de
estas proteínas descubiertas y estudiadas en detalle en el tejido muscular.
Por debajo de la membrana plasmática hay haces de filamentos que se continúan
con una trama similar la cual atraviesa el citoplasma. ~stos'microfilamentos se
relacionan durante su recorrido con vesículas del retículo endoplasmático, con
microtúbulos y otros organitos (Fig.
22.1).
Estos microfilamentos tienen una existencia muy dinámica, su polimerización y
despolimerización permiten los movimientos de los organelos del citoesqueleto. Los
microfilamentos de otras células que no sean las musculares son menos fáciles de
localizar, tanto por su dinámica como por aparecer de ordinario menos agregados;
existen excepciones como el caso de las microvellosidades de las células intestinales
donde forman haces compactos (Fig. 22.2).
La actina globular o actina G, que se obtiene de los microfilamentos de las células
musculares, tiene un peso molecular de
41 000 D y se
asncia a un Caz* y a una molécula
de
ATP. El calcio contribuye a mantener la estructura globular de la molécula. La
función del
ATPes curiosa, ya que la polimerización de la actina en la formación de los

37. Fig. 22.1. Miciofot<igi-afids de célula5
cpitcllnlc del icitestina. Las iiii~
irovcllwidader se iihscivaii coniii
exteiiiioiiss digiialer de la inciii-
br;in;i pliisinirica. Ciidii inicio-
vcllosidiid contiene aproximada-
~nieiitr 40 iiiicrufilametitos.
(Tnnindo dz Molrciilni Biolngy of
ihc czil B. Alberts ct al.. 1983).
filamentos es un proceso espontáneo, pero resulta acelerado por la hidrólisis de aquél.
Los
CTP, GTP y TTP pueden sustituir al ATP
in virro sin afectar el proceso de
polimerización. Los microfilamentos o filamentos de actina, observados al microscopio
electrónico, presentan una doble hélice que se forma por la polimerizacióii de moléculas
de esta proteína con unas 13.5 moléculas por vuelta (Fig.
22.3).
En estos estudios se Iia puesto de manifiesto que la velocidad de polimerización
no es constante. La formación del núcleo de polimerización inicial es
muy lenta y
'k
requiere de la participación de otras proteínas.
e
En el citoplasma existe una reserva de moléculas de actina libre en equilibrio con
-- .
la actina polimerizada (actina F) y este equilibrio depende del control de factores
,'
36 nm
celulares que permite la coordinación de los movimientos; por ejemplo, uno de estos
factores es la proteína profilina, la cual se une a la actina e interfiere con la
polimerización; se desconoce
a través de qué mecanismos
reguladom se debilita esta
- 1
asociación.
Cada molécula de profilina se une a una molécula de actina
y de este modo
interfiere con la polimerización. Hay algunas evidencias aisladas que sugieren la
existencia de mecanismos reguladores, los cuales inodulan la interacción actina-profilina, afortunadamente se establece un dispositivo de control capaz de
disparar una rápida polimerización.
La mayor parte del conocimiento acerca del equilibrio dinámico entre la ,-
polimerización y la despolimerización de la actina, así coiiio de los movimientos en
10s que participan los microfilainentos, proviene de estudios realizados con un tipo de
Fig. 22.3. Dibujo
esqueiuitico de un fi-
drogas: las citocalasinas, obtenidas de algunas especies de moho (Fig. 22.4).
~a~iiciito dc iictinii. Se scfialan los
Estas sustancias interactúan con las moléculas de actina por uno de los extreinos 3h nin de loii$tud y las 13,) uiiib
del filamento e impiden su poliinerizacióii. Se ha comprobado que el uso de estas
dades de acliiiii que correspon-
drogas inhibe varios movimientos celulares, como la locomoción celular, la Iagocitosis,
dcn ii iiiia vucltii de la disposi-
ción hclicoid;il eii 1;~ \iicssióii de
la citocinesis y otros. Sin embargo. ellas no interfieren la mitosis ni la contracción
iiioiióincroi.
Com~ntes ~~~~s y -tia mIecPar 403

38. Fig. 22.4. Estructura química de la
ritoealasina B.
Fig. 22.5. Dlbiijo esquemático que repre-
senta la pro~resión de
un
filames-
lo por la einéticr polimeriza-
ción-despolimcr?zaeiún en extre-
mos apuestos. Los monómeros de
artina-G sc representan por un eo-
lor diferente. a) A partir de un ins-
tante arbitrario
O.
b) Se comienza
a alargar el extremo (+) en la mis-
ma medida que ls estructura de-
crece por el extremo (-). e) Trans-
currido un intervalo determinado
se aprecia cn la figura el desplaza-
miento del filamento.
muscular, en la cual no intervienen la polimerización ni la despolimerización de
filamentos Iábiles.
Contrario a la acción de las citocalasinas,existeotro tipo de drogas del grupo de
los alcaloides: la faloidina, que estabiliza los filamentos de actina, de manera que
impide su desorganización; cuando esta sustancia se le inyecta a los protozoos,como
la ameba (la faloidinano atraviesa la membrana), impidelos movimientos ameboides.
Parece claro que la dinámica de la formación
y desagregación de los
microfilamentos
es esencial para la consecución de los diferentes movimientos que dependen de estas
estructuras
Cabe destacar que tos füamentos de actina son estnicturas que presentan polatidad,
es decir, que sus extremos son diferentes, porque ésta
es una propiedad que permite
explicar cómo ocurren algunos de los movimientos en los que ellos participan.
La afinidad de las moléculas de actina para
asociarse es diferenteen cada extremo.
La concentración críticade actina übrees aquélla a la cual la velocidad de incorporación
es igual a la de disociación del polímero. Parece que la hidrólisis del
ATP provoca un
cambio
conformacional, de manera que la concentración crítica
se hace menor en uno
de los extremos que en el otro; por tanto, en determinadas concentraciones intermedias,
el tilamento se puede mantener en un estado estacionario, según el hecho de que las
moléculas se separan predominantemente de un extremo
(-) y se añaden de manera
predominante al otro (+). En el estado estacionario la velocidad neta de incorporación
al extremo
(+) es igual a la de desagregación del extremo (-).La consecuencia
deesto
(Fig. 22.5) es que la longitud del filamento permanece constante, perose va desplazando
en el espacio desde el extremo (-) al (+).
' desplazamiento'
Existen numerosos ejemplos donde la actina se polimeriza rápidamente; en los
seres humanos tenemos el caso de las plaquetas; cuando éstas responden ante la lesión
de un vaso sanguíneo se desarrollan móltiples prolongaciones finas que intervienen
en la formación y contracción del coágulo. Estas proyecciones contienen grandes
cantidades de ñiamentos que se han estnicturado a partir del pwlde actina G. Además
de la profilina, ya mencionada, que une una buena proporción de la actina
despolimerizada, otras proteínas capaces de unirse a la actina se han descrito en la
mayoría de las células de vertebrados e invertebrados.
Principales funciones de
las microñlamentos
Existen 2 tipos clásicos de movimientos celulares en que estas estructuras
constituyen la fuerza motriz: las corrientes citoplasmáticas, conocidas como ciclosis,

39. y el movimiento ameboide, característico de las amebas y de muchas células libres;
juntocon los demáscomponentes del citoesqueleto contribuyen alas transformaciones
sol-gel que experimentan las células. Los microfilamentos, mediante los mecanismos
de su dinámica que hemos estudiado, participan en las funciones de endocitosis
y
exocitosis.
Son estructuras tubulares presentes en el citoplasma de las células eucariotas, se
distribuyen preferentemente alrededor del núcleo
y aparecen en el microscopio
electrónico como si
sus extremos se fijaran en la membrana o en formaciones cercanas
a ella.
Como los microfilamentos, los microtúbulos son muy Iábiles, sobre todo los que
forman parte del citoesqueleto, pues los que se hallan en cilios
y
flagelos son más
estables.
Los microtúbulos son el resultado de la polimerización de un tipo fundamental de
proteína globular: la tubnlina; esta proteína constituye un dímero formado por 2
monómeros que presentan estructuras primarias muy semejantes
y peso molecular de
55 000 cada uno. Se distinguen como
alfa-tubulina y beta-tubulina.
Un alcaloide, la colchicina,
se une al dímero de
tubulina e inbibe su polimerización,
mientras que otra droga, el taxol, estabiliza la estructura de los microtúbulos, ya que
favorece el proceso inverso.
Colchicina
El corte transversal de un microtúbulo permite observar 13 unidades dispuestas en
forma circular alrededor de un
ejeimaginario central (Fig. 22.6), cada una de estas
unidades corresponde a un componente de los 13 protofilamentos que integran el
microtúbulo.
En
cada
orotofilamento las unidadesde alfav beta tubulinase alternan alo largo -
deéste,de modo que cada subunidad queda entre 2 subunidades distintas; además,
cuando se estudia la disposición de los protofilamentos a lo largo del microtúbulo, las
subunidades alfa y beta se disponen en forma escalonada e integran un retículo regular
definido.
En la dinámica de la polimerización-despolimerización de los microtúbulos
interviene el
GTP. como lo bacía el ATP en los filamentos de actina:
~articiaan 2
moléculasde GTPen la adición de cada dímero, una deetlas está unida reversiblemente
Y se bidroliza de manera simultánea con el ensamblaje; la otra molécula de GTP se une
de forma irreversible
y no es hidrolizada.
Los microtúbulos también presentan polaridad y sus extremos se denotan por
(+)
Y (-); ellos se van "ensamblando" desde los denominados centros organizadores, los
cuales protegen su extremo
(-) como si estuviera encapsulado, presumiblemente
estableciendo interacciones con proteínas específicas que inhibeo el crecimiento de ese extremo. Este extremo encapsulado se encuentra en la región adyacente al núcleo
(centrocelular o citocentro) durante la interfase y la mitosis.
Fig. 22.6. Organiraeióii molecular de los
niierotúbulos. a) Dihu,ja esqueniá-
tiro de uii mierotúbirlo en vista
luiigitudiiial. bl Microfatografía
de
un corte transversal dc un microtúbule.
(Tomado de Prineipes de
Biochimie. AL. Lehninger, 1982).

40. A partir de estos sitios precisamente es que se iniciará la organización de los
microtúbulos, razón por la que estos centros se denominan centros organizadores, los
cuales están relacionados con los centríolos.
De estas interacciones dependerá también la unión de los microtúbulos a los
componentes membranales
y a algunas proteínas
enzimáticas que antes se creían libres
en la fracción solubledel citoplasma. Se han descrito
2 tipos principales de proteínas
accesorias: las tau
y las MAP
(microtubules associatedproteins). Las primeras, de
peso molecular entre
60 y 70 mil, se enlazan a la tubulina e incrementan la polimenzación. Las MAP de peso molecular entre
200 y 300 mil parecen poseer 2
dominios, uno se enlaza al
microtúbulo, mientras que el otro queda libre y puede estar
involucrado en la unión a otros componentes celulares: las mejores conocidas son la
dineína
y lanexina. Para lacomprensión del sentido de algunas de
estasinteracciones,
es preciso antes esbozar las principales funciones en que intervienen los microhíbulos.
F'rinapales funciones de IOB micmtiíbuios
La adopción de las formas características de algunos tipos celulares, así como de
sus prolongaciones tienen que ver con la orientación
y distribución
delos microhíbulos.
Los axones de las células nerviosas son un ejemplo típico de esta función.
Numerosos cambios que tienen lugar en la morfogénesis están relacionados con la
fundónmecánica delos microtúbulos. La inducción de la placoda en la diferenciación
del cristalino se acompaña de la aparición de numerosos microhíbulos, por citar solo
un caso.
Todas las células eucariotas tienen una geometría es~acial distintiva. dada nor la
u
posición de sus organelos; esta polaridad celular depende de la integridad de los
microtúbulos. Cuando son destruidos, el desplazamiento celular se torna azaroso
y
pierde su carácter direccional.
No cabe duda que los microhíbulos se pueden constituir en una especie de sistema
de transporte interno, lo que permitiría la circulación de
macromoléculas, al delimitar

canales en el citoolasma.
Se conoce que en algunos receptores sensoriales se hallan presentes conjuntos de
microtúbulos, lo cual presume que intervengan de alguna manera en la transducción
de diferentes formas de energía en esos neurorreceptores.
En el capítulo
23 se expone la participación en la mitosis de los microtúbulos.
Por último, los
cilios,flagelos y centríolos son derivados de los microtúbulos.
De todo lo dicho, se comprende que los microtúbulos intervienen en muchos
movimientos celulares guiando algunas corrientes citoplasmáticas, que pueden
transportar gránulos de secreción hacia la superficie celular, donde descargan su
contenido por exocitosis: movimientos que agrupan en un polo de la célula a las
proteínas integrales de la membrana plasmática; movimiento de los cromosomas
durante la división celular
y otros.
Se considera como muy probable la intervención directa de los microtúbulos en la
generación de fuerzas en el caso de los movimientos
ciliares o flagelares; estos
movimientos provocan un desplazamiento del líquido extracelular respecto a las
células, si ellas están fijadas, o de la propia célula, si es libre
y suficientemente pequeña.
Filamentos intermedias
Si bien los 2 tipos más importantes de componentes del citoesqueleto son los
microfilamentos
y los microtúbulos, caracterizados por su dinámica
labüidad, existe
otro tipo de filamento, de diámetro intermedio entre aquéllos
y que resulta ser mucho
más estable.
Esta propiedad
sedebe aquesus constiiuyentesmolecularesson proteínas
de naturaleza fibrosa
y no globular, que los hace muy resistentes a la extracción con

41. soluciones de variadas concentraciones salinas y con detergentes no iónicos; sin
embargo, esta insolubilidad hace posible su observación microscópica mucho más
fácil que la de los restantes componentes del citoesqueleto. En la figura 22.7se presentan
microfotografías correspondientes a
2 tipos celulares diferentes.
Los filamentos intermedios tienen una disposición que también parece partir del
centro de la célula, pero con recorridos menos
sinuosos; se hallan relacionados con las
zonas de las células que están bajo grandes tensiones.
Varios tipos de proteínas están presentes en los filamentos intermedios, tienen
pesos moleculares que varían de
40 000 a 200 000 D y se polimerizan sin dar lugar a
estructuras tan regulares como las de los microtúbulos y microfilamentos; el número
de estas proteínas fibrosas varía según el tipo de célula y la especie.
Cada
ñlamento parece presentar
un
hímero como unidad de polimerización, aunque
ello no está confirmado, y todavía los factores que controlan estas estructuras
y sus
funciones son objeto de especulación. Lo que
sise puede afirmar es que cada tipo de
célula presenta filamentos intermedios característicos, que están constituidos por
~roteínas diferentes que se asocian; ejemplo de ello son los filamentos de queratina en
las células epiteliales, los de vimentina en los fibroblastos
y los
neurofilamentos de las
neuronas.
precisa mente,^^ diversidad hacemucho másdificil su estudio y el desus proteínas
constituyentes. Laasociación de estas proteínasfibrw parece presentar características
estructurales semejantes a la de la colágena (capítulo
68).
Deacuerdo con lo expresado se comprende que
lapolimerización de los filamentos
intermedios, hasta el momento, parece ser un proceso irreversible; de ello no deben
deducirse que el número, tamaño
y disposición de estas estructuras han de mantenerse
constantes a
lolargo de toda la vida celular. Se han descubierto enzimas proteolíticas
que degradan específicamente un tipo u otro de filamentos intermedios, y se desconoce
cómo es regulada la actividad de estas enzimas NI vivo; in vitro, muchas de ellas son
activadas por el Caz'; lo cierto es que la única forma conocida en que pueden ser
desagregados los filamentos de esta clase es, mediante la hidrólisis de sus proteínas, en
péptidos más pequeños.
En tanto no se demuestre lo contrario, la función de los filamentos intermedios
parece restringida a soporte mecánicode la estructura celular.
Se denominan inclusiones a las estructuras que existen en el citoplasma, y no son
más que verdaderos almacenes de sustancias específicas que se hallan disponibles para
ser utilizadas en la célula o por el organismo. Estas sustancias incluyen desde
compuestos de reserva energética -como la grasa y el glucógeno- hasta elementos
simples -como el hierro
y pigmentos como la melanina.
Glóbulos
de grasa
Esta inclusiones se encuentran en las células del tejido adiposo de losmamíferos,
son cúmulos de Iípidos del tipo de los triacilgliceroles (capítulo
13). Ellos son una
reserva de energía muy eficiente, debido al elevado contenido calórico que posee esta
clase de Iípidos; en los adipocitos pueden llegar a ocupar más del
90 % del volumen
celular
(Fig. 22.8).
No obstante, estas inclusiones aparecen en otras células del organismo, como las
musculares y en los hepatocitos; en estos últimos pueden acumularse excesivamente y
causar daño hepático bajo determinadas circunstancias, es el denominado hígado
graso que en algunos casos puede evolucionar hacia la cirrosis hepática. En la figura
22.9aparece una niicrofotografia electrónica de un adipocito.
Fig. 22.7. MicrofotograBas de filanientos
interrncdios. a) Por técnicas de
inmuiionuoreseeneia se visualizan
filamentos intermedias
de vimeiitina. h) Neurafilamentas
presentes
en un sector de axoplasnia cn el axón gigante de
una lombriz marina.
('hmsdo de Molecular Biolagy of
the cell. B. Albere et al., 1983).

42. Fig. 22.8. Mierofotagrafia de un adipocito.
Se observa el citoplwma reducido
a un fino borde periférico y el
núcleo prominente, desplazados
por
un gran
glóhulo de grasa.
(Tomado de Bioquímiea. L. Stryer.
Segunda edición, 1982).
Fig. 22.9. Mirrofotografia de barrido de un
adipoeita.
(Tomada de Bioquímiea.
L.
Stryer.
Segunda edición, 1982).
El glucógeno es un polisacárido formado por unidades de glucosa, lo que le
permite constitnir, igual que los triacilgliceroles, una reserva energética para la célula
o el organismo (capítulo
10). Los gránulos de glucógeno ofrecen un aspecto bien
denso en las
microfotografias (Fiz. 22.10). - , -
En el gránulo, además se encuentran las enzimas que participan en las síntesis y
degradación del polisacárido, y otro conjunto de enzimas que tienen una función
reguladora del metabolismo del glucógeno. Tanto el peso molecular del glucógeno,
como la proporción en que se hallan las proteínas enzimáticas en el gránulo, son
variables, de modo que estas inclusiones poseen diámetros que van desde los
1 000 a
los
4 000 nm.
408

43. Monocapa de enzimas específicas
que recubren la molécula de glucógeno
Fig. 22.10, Microfotagrafia dc los gránulos de glucógeno. a) Las inclusiones citaplssmátieas, en este
casa gránulos de glucógena, sc ubscrvan corno múltiplrs zonas densamente oscurecidas. h)
Kepresentacih csqueiiiitira de un gránulo de glucógcno.
(Tomado
de
Molceular Binlogy af the ccll. B. Alherts et al., 1983).
Resumen
La fase soluble que se obtiene como sobrenadante en una centrifugación de
muy elevada velocidad se conoce como citosol. Las téenicas avanzadas de
micmsmpia electrónica no niegan que el medio interno celular, donde se encuen-
tran los organelos y el citoesqueleto, se halla bañado por una fase acuosa, el citosol.
En éste se encuentran disueltos metabolitos, proteínas y enzimas solubles. El
dtoesqueleto es una compleja
red de
ñlamentos y microtúbulos que atraviesan el
dto~lasma v determina
la
forma celular. asícomo la oreanizaa6n del hialonlasma
, . - -
Los microñlamentos son el resultado de la polimerización de monómeros de la
proteína acüna, una de las 2 proteínas fuodamentales que participan en la propie
dad conírácül de Las fibras muxulares. Estos poümeros, en el caso de los ñlamen-
tos del citoesqueleto de una célula cualquiera, se agregan y despolimerizan de
forma continua, lo
cual les
confíere una dinámica en su loealizaci6n, iamaiío y
estabiüdad, además, les permite intervenir en funciones relacionadas con algunos
movimientos celulares.
Eata dinámica y su importancia en algunas propiedades celulares han podido
ser estudiadas con la ayuda de drogas que, como la citocalasina, impiden la
polimerizaci6n de
las moléculas de
actina. La profia es una proteína que pareee
tener una funci6n parecida en el control fisiol6gico del equilibrio
polimerización-despolimerizaci6n de los microfilamentos.
Si se interfiere la mecánica normal de los microñlamentns se impide la loco-
moci6n wlular, la fagdhis, la citocinesis y el desarroiio de las digitaciones que
ocurre en la respuesta fiiol6gica de las plaquetas, entre otros procesos.
Los micmtúbulos poseen una dinámica similar, pero están constituidos de otra
pmteiaa, la tubuüna
Las 2 estnictur~s citadas presentan polaridad y generalmente en un extremo
Predomina la desagregación de los monómeros, y en el opuesto la polimerización,
mcterísoca que hace posible la movilidad de ambos.

44. Los mkmtúbulos del citoesqueleto tienen una dimímica semejante a la de los
microñlamentos, pero como
los
pdúaeros estables de acüna se hallaron en los
músculos, existen también micmtúbulos más duraderos y menos cambiantes en los
dios y melos.
Los mieroffibulos se originan de ordinario en regiones adyacentes al niideo
celular, denominadas centros organizadores, éstos están relacionados con los
centrfolos.
Las proteínas accesorias establecen nexos entre las moléculas de tubulina y de
éstas con otros componentes
celulares.
Los microtúbulos son determinantes en la
especioadad de la forma de los
diferentes tipos de células, intervienen en la morfogénesis, en la formación del huso
mitótico, confieren polaridad a las c6lulas que la poseen, parece que desempeñan
una función en algunos
nenmrreeeptores y, por mipuesto, forman parte importante
del
sistema
eirnilatorio intraeelular.
Por Ultimo, los filamentos intermedios los forman diferentes proteínas en las
disüntas células: y son
más estables que los
mimíüamentos y microhíbulos. Tam-
bién se diferencian de aquéJlos en que Las proteínas que los integran son fibmsas en
vez de globulares. Su diversidad
ha hecho más
diñd el estudio y comprensión de
sns estnictnras y funciones: en las células epiteüales existen filamentos de queraüna;
en los fibmblastos y
la mayoría de otras células suele estar presente la
vimentina,
entre las proteínas componentes de los filamentos intermedios.
Se presume que
estos
filamentos se destniyan por pmteólisis y se han aislado
enzimas especííicas para sns diversas proteúias constituyentes.
Las
3
estructnras esindiadas conforman el citoesqueleto, que como su nombre
indica constiíuye el soporte meesnico del coqjunto de la arquitectura celular.
Las inclusiones citoplasmáticas son acumulaciones de sustancias que se
alma-
cenan
durante algún tiempo en la célula Los exponentes más comunes son los
glóbulos de grasa y los gránulos de glucógeno, ambos tienen función de reserva
energ6tica para
la célula o el organismo.
Ejercicios
1. Realice una comparación entre las proteínas que integran los microfilamentos y los microtúhulos.
2. ¿Qué característica especial presentan las proteínas de los filamentos intermedios
que no la poseen las de los microfilamentos
y microtúbulos?
3.
¿Cuál es el sentido del gran dinamismo que presentan las estructuras poliméricas
fundamentales del citoesqueleto?
4. Trate de deslindar las funciones de los microfilamentos, los microtúbulos y los
filamentos intermedios que les son propias y las que
lesson comunes a los3.
5. La división celular no se afecta por la droga citocalasina, pero sí por la colchicina.
¿Qué conclusión puede usted inferir en cuanto a las estructuras del citoesqueleto
que intervienen en la mitosis
y las que no lo hacen?
6. De acuerdo con lo estudiado en el capítulo 18 y en éste, jcree usted que los
gránulos de glucógeno constituyen sistemas
multienzimáticos?
7. ;,Son los glóbulos de grasa inclusiones exclusivas del adipocito?

45. La diferencia fundamental entre las células procariotas y eucariotas es la presencia
en estas últimas de la envoltura nuclear que separa
al ADN; también existen diferen-
cias entre los procesos relacionados con el ADN y los procesos que ocurren en el
citoplasma. En las células procariotas, la síntesis de ARN (transcripción) y la síntesis
de proteína (traducción) se llevan a cabo casi de manera simultánea, sin haberse sepa-
rados aún los
ARNm del ADN. La aparición, durante el proceso evolutivo, de la envol-
turanuclear posibilitó la separación entre los procesos de transcripción y traducción,
lo que permitió el desarrollo de ambos.
En este capítulo describiremos las diferentes estructuras del núcleo: la envoltura
nuclear, el nucléolo, la cromatina-cromosomas
y el jugo nuclear, además, haremos
referencia a la relación entre estas estructuras y
su función.
El estudio del núcleo celular constituye
un ejemplo fehaciente del principio de
laoiganización de las macromoléculas, ya que podemos observar duranteel desarrouo
de
la mitosis cómo diferentes estructuras nucleares desaparecen bajo determinados
mecanismos de regulación, no del todo conocidos,
y vuelven a formarse, entre otras causas, por el mnocimiento molecular entre sus componentes. La propiedad del mne
cimientomolecular ligado a lasdiferentes estruchuas fue tratada en el capítulo 9.
Cuando la célula se encuentra en interfase podemos ver todas las estructuras
nucleares: el material genético se encuentra estructurado en forma de cromatina, la
envoltura nuclear está presente y podemos observar al menos un nucléolo. Cuando en
la célula comienza la división mitótica, ocurren cambios que conducen a la desapari-
ción de la envoltura nuclear, a la conversión de la cromatina en cromosomas y a la
desaparición del nucléolo. Una vez terminada la separación del material genético
en 2 partes iguales, entre lascélulas hijas, se producen loscambios que le devuelven
a la célula la estructnra que tenía en la interfase.
Componentes estmcturaies del ~IWX
Podemos dividir al núcleo en los componentes estructurales siguientes (Fig. 23.1):
l. Envoltura nuclear.
2. CromaOna
3. Nucléolo.
4. Nncleoplasma o jugo nuclear.

46. Fig. 23.1. Componentes del núcleo. a) La
membrana nuclear. (b) El nueléolo.
(e) La eromatina. (d) El
nueleoplasma (a carialinfa). Se
observan ambas membranas de la
envallura nuclear
y los
ribosomas
unidos a la membrana externa;
también se observan
(e) Las poros
de la membrana.
Envoltura nudear
La envoltura nuclear es lo que fundamentalmente distingue a la célula como organis-
moeucarionte, puesto que los pmcariontesnola tienen. La aparición de estecomponente
celular introdujo cambios celdares como la separación de la célula en 2 comparíimwntos:
el citoplasma y el núcleo. Esto resultó ventajoso
al limitar el paso de sustancias entre ambas compartimentos y, por ende, pudiemn evolucionar mecanismos de regulación; así
como suceder el paso de sustancia entre ambos espacios celulares. La aparición de la
membrana también permitió que evoluaonara la organización estruciwal de los ADN en
el núcieo, y quesedes~17ollaran también los mecanismos desíntesis del ADN y ARN, así
como las de sus resnectiv~~~ remilaciones.
Fig. 23.2. Disposición de los poros. Tienen
una disposición hexagonal y en el
micrómetro representada
hay 45
poros que ocupan aproximada-
mente el
10 % de esta brea.
~ ~~ .~~~~ .
~ ~~~~ ~
que unenlos gpaciosintranuclear (nucleoplasma) y ciioPlasnátim m. 23.1). A &delos
pom sólo pueden pasardetenninadoscompuestos, tienen paso selectiva
Si observamos una de las 2 cara de la membrana, notamw que los poros presentan
una distribucih hexagonal (Fig. 232); éstos constituyen del 10 al 36 % del área total
de la membrana,
y hay entre 40 y 145 poros por micrómeiro cuadrado.
Poros
P
m m

47. Cada una de las membranas que forman la envoltura nuclear tiene estructura
semejantea la membrana descrita en el capítulo 20, sin embargo,cadauna tiene sus
particularidades. Delas 2 membranas, la que está en contacto con el citoplasma es una
continuación de las membranas del retículo endoplasmático mgoso; sus composicio-
nes lipídica y proteínicason casi las mismas, y contiene las proteínas que intervienen
en el reconocimiento de los ribosomas y del péptido señal, por Lo que se observan al
microscopio electrónico los ribosomas funcionales adosados a ella.
La membrana interna que está en contacto con el jugo nuclear tiene adosado a su
cara nuclear un "emjado" de proteínas, Uamado Iámina nuciear,oiganización pmteínica
especial formada por 2 proteínas diferentes (lamininas A
y
B), que parecen intervenir
en los mecanismos de desagregación
y reagregación de laenvoltura nuclear durante la
mitosis, y que, a su vez, se regulan por modificación covalente
(fosfo-
nlación-desfosforilación). Por una parte, esta lámina se une a la cara nuclear de la
membrana interna de la envoltura nuclear,
y por otra parte, se relaciona en algunos
puntos con la cromatina, que une a ésta con la membrana
(Fig. 23.3).
Membrana interna de la
membrana nuclear
-
Cromatina
Proteínas de la Iámina nuclear
Fig. 23.3. Proteínas de la lámina nuclear. Una
de eUas se ssoeia Íntimamente a la
membrana y otra a la emmatina.
Los poros pueden observarse muy bien en una fotograña al microscopio electróni-
co; parecen ser canales abiertos queconectan ambos compariimentos, están bordeados
por proteínas especiales, tanto por su superficie citoplasmática como nuclear y el
propio conducto parece estar ocupado por ellas.
Camplejo del poro nuclear
Ocupando y formando el canal se encuentra el complejo del poro nuclear, que
tiene
un peso de partícula de 125 megadalton; está formado por aproximadamente
100
polipéptidos diferentes que reciben el nombre de nucleoporinas. Muchas de las
nucleoporinas tienen unidas de forma covalente moléculas de N-acetil glucosamina,
además, poseen pequeñas secuencias de aminoácidos (degeneradas
y repetidas) como
fen-X-fen-gli.
Aún no se conocen todos los detalles de la estmctura de este complejo. Dos aros,
formados cada uno por
8 subunidades (aproximadamente 20 proteínas porcada
una),
bordean el poro porcada ladode la envoltura nudear,uno por la cara nuclear y otro por
la citoplasmática; lo que queda entre los aros, llamado cintura, se une al espesor de la
membrana donde se funden las membranas externa e interna de la envoltura nuclear.
Hacia la superficie citoplasmática, y partiendo de cada una de las subunidades, se
encuentran fdamentos; a veces estos filamentos son continuación de los filamentos de
los POms vecinos. Por la cara nuclear del poro también parten filamentos, pero éstos
f~rman como una cesta de baloncesto (Fig. 23.4).
Por el poro pasan moléculas del núcleo hacia el citoplasma, y viceversa. El diáme-
tro del poro es de 80 nm, sin el complejo nuclear, y con éste es de 9 nm; sin embargo,
Por el poro pasan partículas de más del doble de este diámetro, mediante la difusión
Fig. 23.4. Complejo del poro nuclear. (a) El
anillo de la
cara
citoplasmáüea for-
mada por las S subunidades. (b) la
cintura.
(e) La envoltura nuclear y el espacio perinuclear. (d) Filamen
tos
de la cara
citop¡asm8tica. (e)
Filamentos de la cara nuclear, far-
mando una estructura parecida
a
un cesto.
(0 Tapón de proteinas
que ocupan el canal.

48. I Fig 23.5. Mecanismo de transporte a través
del iiom nuclear. (a) Se observa el
complejo del pom nuclear. (b! Las
envoltura
y espacia
perinuclear
(c). El ARN que será transportado
se une a Is proteína de transporte
(0, que a su vez es reconocida por
una secunda ~roteíns de transpor-
te
(g). (d) El complejo se une a los
filamentos nucleares,
se desliza con
easto de enereia a través del canal, -
y se libera del lado citoplasmático
lu-o de desprenderse de los fila-
me& del otro lado (0.
Fig. 23.6. Cambios de volumen del núcleo.
Se produce a expensas del corri-
miento de
sus membranas: interna
(ami!
y
extersa (roja).
simple, ejemplo de este paso son las moléculas proteínicas pequeñas: el citocromo c
(13 kD) difunde Libremente, la ovalbúmina (43 kD) demora en pasar y la seralbúmina
bovina
(66
kD) no pasa. Más allá de este tamaño el paso se realiza por transporte
activo: requiere energía, depende de señales y tiene saturabilidad. Por este tipo de
transporte pueden pasar partículas basta de
25 nm
dediámetro.
Las señales dependen de secuencias de aminoácidos que pueden estar repetidas;
existen señales para las sustancias que entran, señales diferentes para las que salen
y
otras para las sustancias que entran y salen rápido. Una señal bien conocida para la
salida
es la estructura CAP de los ARN
transcriptos primarios (capítulo 271, que se une
alas proteínas de transporte.
Uno de los mecanismos descritos utiliza al menos
2 proteínas para la salida de
algunos
ARN, una de ellas se une a proteínas del complejo del poro, la segunda se une
a aquélla
y al ARN que va a pasar
(Fig. 23.5).
Lado nuclear
(b)
Por el poro deben pasar al interior las protehassintetizadas en el citoplasma, que
se requieren para la síntesis de los ADN
y ARN, y para el resto de los procesos que oemn en el núcleo; por ejemp10,las bistonas quese requierenal formarsela cromatina,
durante la síntesis de ADN, provienen del citoplasma (por cada poro entran 106molé-
culas de historias en un minuto).
Además de actuar como paso selectivo de sustancias, otra de las funciones del
poro es servir como tampónde volumen, pues por el corrimiento entre las membranas
internas externa de la envoltura nuclear, el núcleo puede aumentar o disminuir de

49. En el nncléolo ocurre la síntesis de los ARNr de 5,s; 18 y 28 S; además se lleva a
cabo el "ensamblaje" de éstos con proteínas ribosomales, formando las subunidades
de los ribosomas.
Los nucléolos se encuentran localizados en algunas porciones del genoma, los
llamados organizadores nucleolares, que contienen la información para la síntesis de
los ARNr. Durante la interfase, estas porciones del genoma se encuentran desenrolla-
das
y localizadas en
un sitio del núcleo sobre ellas y de forma ininterrumpida se
produce la transcripción de estos genes. Conocemos que los ribosomas de eucanontes
poseen diferentes clases de ARN,
y que su síntesis trae como resultado, no sólo la
transcripción, sino también el procesamiento de los transcriptos primarios que
final-
mentequedan transformadosen los ARN definitivos (capítulo 32). En esta porción del
núcleo, donde se transcribe la información de los transcriptos primarios del ARNr,
también ocurre parte de laorganización snpramacromolecnlar de los ribosomas (agre-
gados de ARNr
y proteínas de diverso tipo).
Las proteínas
que forman parte de los ribosomas se sintetizan en el citoplasma,
pero pasan por los poros al núcleo
y allí, de acuerdo con
un determinado orden, y
debido al reconocimiento molecular, se van agregando en partículas cada vez mayores
y más complejas para conformar las 2 subunidades ribosomales (capítulo 81).
De tal forma se van conformando los ribosomas en el nucléolo, que si se hiciera un
corte del nucléolo se vería como hacia sus porciones centrales se encuentran los trans-
criptos primarios en proceso de síntesis; a medida que avanzamos hacia la superficie se
observan los ARN ribosomales acoplándose con las proteínas ribosomales,
y en las
capas más externa veremos partículas completas o casi completas
(Fig. 23.7). Debido a
esta distribución funcional, se pueden distinguir en la estructura de este organelo 2
porciones: una central, fibrilar, donde ocurre la transcripción, directamente en las
cadenas del ADN, y otra periférica, granular, donde ocurre el "ensamblaje" de las
unidades de nucleoproteínas del ribosoma.
En los núcleos diploides existe el doble de organizadores nucleares que en las
células haploides.
Este componente nuclear es una continuación del citoplasma; contiene, como
este último. un citoesaneleto -el carioesaneleto- v en los esuacios de la trama se en-
cuentran suluhilizado* t~d~s 10% componentes requwidns cn la síntesis !. pnwsa-
miento de los .ADN, de los ARN y de tudas aquellas reacciones que ocurren en 1.1
núcleo: las enzimas, los snstratos, los cofactores y los productos.
Fig. 23.7. Una sección del nuiléalo. En la
porción central
se observa la trans-
cripción de los
transeriptas prima-
rios de los
RNA ribosomales (ro-
jos); las ADN en azul. A medida
que se avanza al exterior se pro-
duce la maduración
de aquéllos, y
su unión con las proteínas
ribosomales (verde). Ya
en el bor-
de se observan algunas partículas
ribosomales mayores
y menores.

50. Fig. 23.8. La eslructura de la rromatina. Se
observan los nucleosomas como
cuentas de un collar (aclámero de
Iiistonas, enrolladas por el ADN)
y separadas par el ADN espaciadar.
Fig. 23.9. Estructura del nueleosoma. (al
En el esquema que representa la
estmctura dcl nucleosoma,
se ob-
servan las8 histonas;
ésta7 re apre-
cian separadas para mostrar la
re-
lación entre ellas y con el ADN
que las rodea.
(b) Se observa la
relación
que mantiene la
histana 1
con el nueleasoma.
Par cmmatina-cromosoma
El par cromatina-cromosoma representa las 2 formas de organización del material
genético; ambas se caracterizan por la diferente disposición estnictural de La dmxirribo-
nucleooroteína en distintas etauas del ciclo celular. La cromatina es la forma de orga- -
nización un tanto desenrollada de este tipo de supramacromolécula, se encuentra en el
núcleo en interfase y se transcribe deforma continua. El cromosoma es su forma de
organización compacta durante la fase de mitosis, y en esta forma de organización no
se transcribe. Se describirá primero la estructura de la cromatina, que es la menos
compacta.
Cromah
I:n iI iapitulo II,dmdt*se deicrihii, Iaeslrurturadr loa Jcido5 nuileicus,cnnu-
cimos de la estructura sivund~riadel .\L).esp~citicanirnte. la del mwJrlod' alson
y Crick.
Cuando el núcleo está en interfase, el ADN se encuentra organizado fo,mando
complejos supramacromoleculares con proteínas básicas llamadas histonas. Esta es la
cromatina, que al observarla
al microscopio electrónico parece conformada como un
collar, cuyas cuentas se encuentran algo separadas entre sí
(Fig. 23.8). Estas cuentas
están formadas por los nucleosomas, y las porciones entre las cuentas están formadas
por la estructura del ADN de doble banda.
El nucleosoma está formado por el ADN de doble banda, enrollado sobre un
octámero de proteínas básicas, lashistonas. Estas proteínas están muy conservadas
(casi no hay diferencia entrelas del frijol y las de la vaca), y hay 5 tipos diferentes. Se
diferencian, entre otras cosas, en su peso molecular y su contenido de aminoácidos
básicos. Además, estas proteínas están muy modificadas, pues presentan metilaciones,
fosforilaciones y adenilaciones.
Tipo de histona
Peso molecular (kD)
Y%%YH4
21 14,s 13,7 15,3 11,3
Relación lidarg 20 1,2 2,s 0,7 0,s
El octámero está formado por (H,),(H,,),(H,),«I,)2, tiene 110 nm de largo por 55
nm de ancho; en el centro del octámero se encuentra el tetrámero (H,),(H,), y a cada
lado de éste se encuentran los dímeros (H,JH,,). El ADN se enrolla
1
213 veces sobre
el octámero; esta porción enrollada se corresponde con 146 pb (Fig. 23.9a).
La porción de ADN que queda entre 2 nucleosomas adyacentes varía en longitud,
puede ser entre
8 y 114 pb (promedio 55 pb); a esta porción del ADN se le llama
espaciador. La H, parece quedar unida a los 2 extremos de la porción enrollada del
ADN sobre el nucleosoma (el extremo que comienza el enrollamiento y el que
lo
termina)? la
H, queda en el espacio entre ellos
(Fig. 23.9b). La H, contribuye al
aempaquetamiento, posterior de la cromatina al formarse el solenoide.
La organización de los nucleosomas en la cromatina no es siempre la misma, vana
en los genes activos donde se produce el desenrollamiento del ADN.
Durante la replicación deben formarse nucleosomas nuevos mientras se duplica el
ADN. Parece que los nucleosomas viejos a veces quedan en una banda, y otras veces en
la otra banda; en la formación de los nuevos nucleosomas, además de las histonas y el
ADN, intervienen la nucleoplasmina y la topoisomerasa 1 (capítulo 25). La primera es
una proteína «chaperona» que pone en contacto al ADN con las histonas, e impide
asociaciones erróneas. La topoisomerasa 1 es necesaria para proporcionar el nivel re-
querido de superenrollado al ADN sobre el octámero.
En la formación del cromosoma, la cadena de nucieosomas se enrolla y forma una
f?stNctura en solenoide. En la figura
23.10 se puede observar
cómose va compactandn
la cromatina hasta la formación del cromosoma. Cada cromosoma está formado por
una molécula de ADN, y como ejemplo de este "empaquetamiento" podemos referir-

51. nos al cromosoma del primer par humano (ver los pares humanos en el cariotipo). Este
ADN se compacta unas 7 000 veces, cuando se encuentra desenrollado tiene una
longitud de 7J cm y compactado en el cromosoma su largo es de 10 pm.
Cromosomas: Forma y tamGo
Existen métodos que permiten de forma experimental, en el laboratorio, fotogra-
fiar todos los cromosomas que pertenecen
a
una misma célula. Como todas las células
de un mismo organismo (en la es~ecie animal o vegetal) tienen igual dotación genética, -
se puede tomar para este estudio cualquier célula de cualquie; tejido;
este estudio se lleva a cabo en los leucocitos. Una fotografía ampliada de los cromosomas
en mitosis nos muestra que todos los cromosomas no son iguales
y que difieren en su
tamaño y forma
Podemos distinguir en cada cromosoma estructuras características. En la figura
23.11 hemos esquematizado un cromosoma típico,
se observa que está formado por 4
brazos (largos o cortos), que se unen al centrómero.
A veces los brazos presentan
constricciones, y cómo a la constricción que se forma al nivel del centrómero se le
Uama primaria, a
éstas que se forman en los brazos se les
Uaman secundarias. Al peque-
ñofragmento de brazo que queda terminal a la constricción secundariase le denomina
satélite (Fig. 23.11).
Fig. 23.11. Partes de un
cromosoma. Se repraentan 2 cromosomas, en ellos podemos observar las
partes que lo forman: (a) Brazos. (b) Centrómero (constricción primaria). (c) Constricción
secundaria. (d) Satélite.
Si de la fotomafía ampliada recortamos cada cromosoma y luego los ordenamos
según su tamaño,de may& a menor sobre un papel, observaremos que siempre nbten-
dremos la misma distribución de los cromosomas paracada especie; a esta distribución
característica se le ha llamado cariotipo.
Canotipo humano normal
Cada especie animal posee un número constante de cromosomas: el hombre posee
46 (23 pares incluyendo el sexual), el gato 38, el maíz 20
y la
Escherichia colipnsee
1. Para el hombre el cariotipo normal se compone de 7 tipos de cromosomas que
difieren por su tamaño
y la posición del centrómero, como características más relevan-
tes (Fig. 23.12).
Gmpo
A: metacéntricos
(1,2 y 3), tienen los brazos del mismo largo.
Gmpo
B: submetacéntricos (4 y
S), sus brazos tienen tamaños diferentes.
Grupo C: submetacéntricos (6,7,8,9,10,11,12 y X), iguales al grupo anterior,
pero de menor tamaño.
Gmpo D: acrocéntricos con satélite (13,14 y 15), uno de sus pares de brazos
son muy cortos.
Gmpo E: metacéntricos
y submetacéntricos
(16,17 y 181, de menor tamaiío.
Gmpo
F: metacéntricos
(19 y 20), de menor tamaño.
Gmpo
G: acrocéntricoscon satélites y sin ellos
(21,22 y Y),de menor tamaño.
Fig. 23.10. La erornatina al eompaetarse
forma los cromosamas. (a) La
eromatina se compacta en una fi-
gura que recuerda un solenoide.
(b) El solenoide parece compac-
tarse aún más
en lazos muy uni-
dos.
(e) Un
enrollamiento mayor
pudiera formar
el
cromosoma.

52. Fig. 23.12. Cariotipo humano normal.
Grupo A: Metacéntricos.
Grupo B: Submetacéntricos.
Grupa C: Submetacéntricos.
Grupa D: Aeroeéntrieos con satélite.
Gnrpo E: Metacéntricos y submetacéntricos.
Grupo F: Metacéntricos.
Grupo G: Aeroeéntrieos con satélite y sin él.
(Tornado de Molecular Biology
of the cell. B. Albe- el al., 1983).
Al estudiar el cariotipo se tienen en cuenta el tipo de cromosoma, su tamaño
relativo
y la posición del centrómero; se determinan el sexo y las alteraciones que
existan en el número y estructura de ellos.
Alteraciones del carioOpo
Los cambios en el número o en la estructura de los cromosomas producen graves
enfermedades, cuando falta una copia de los cromosomas no sexuales (autosomas) la
consecuencia es letal. Si se tienen
3 copias de un cromosoma la
supervivencia es
escasa, pero la trisomía del cromosoma
21 es viable, esta anormalidad se conoce como
síndrome de
Down (antes llamado mongolismo); es el más frecuente de los trastornos
cromosómicos del hombre
y depende mucho de la edad en que la mujer se embaraza.
Enmujeresmenores de
29
añosla posibiüidad de queun hijo padezca esta anormalidad
cromosómica es del Y2 000, pero en mujeres mayores de 45 años la frecuencia de tener
un hijo con síndrome de Dowu es de 1/50.
En los individuos afectados, la simple observación los descubre, entre otros sig-
nos se observa la estatura baja, el perfil facial plano, fisuras palpebrales oblicuas,
lengua voluminosa
y manos anchas y cortas, El retraso mental generalmente es inten-
so, pero tienen un carácter tímido y apacible.
Existen otras muchas enfermedades con alteraciones de los cromosomas. En el
síndromede Künefelter,el trastorno
se
presentaen los cmmosomassexuales; el Canotipo
anormal es 4na;Y, pero también puede ser 47XXXY ó 47XXXXY. Estos enfermos son
estériles y con ligera disminución de la inteligencia.

53. Mitosis:
Se le llama mitosis al proceso medianteel cual se produce la duplicación de las
células eucariotas, este proceso ocurre en la fase
M del ciclo celular (capítulo 24). Al
llegar a la mitosis los componentes celulares se encuentran duplicados. La mitosis es el
proceso de separación de los componentes celulares entre las 2 células hijas.
Por su complejidad
y para facilitar su descripción se suele dividir en 4 etapas:
1.
Profase.
2. Metafase.
3. Anafase.
J. Telofase.
Aiites de la primera etapa, ya han estado ocurriendo cambios en la célula, pues la
croiiiatiiia ha comenzado a condensarse y el nucléolo a desaparecer. En el citoesqueleto
ocurren eariibios también, pues aunquelos filamentosintermedios noexperimentan
cambios, los filamentos de actina, miosina y los microtúbulos se «desensamblan».
1. Profase. Fnnnaci6n del huso dlko y ia desintegraa6n de la envoltura
nuclear. Los 2 centríolos, cuya división ya había comenzado en la fase
S, se en-
cuentran en uno de los polos de la célula, ocupando, uno con respecto al otro, una
posición perpendicular. Se encuentran rodeados de una zona opaca que se tiñe
poco
y que a partir de ella se "ensamblan" los microhíbulos,formando los 2 ásteres
(áster significa estrella).
Los iiiicrotúbulos (capítulo 22) se «ensamblan» o «desensamblan*> por sus extre-
nios. pero por uno de esos extremos estos procesos son más rápidos; a este último se
le denomina el extremo positivo,
y al otro el negativo. En
losmicrotúbulos que se
forman a partir de los centríolos, los extremos negativos quedan inhibidos
y situa-
dos en la zona que rodea a los centríolos; el extremo positivoes el másalejado de
los centríolos
y al crecer va alejando a los
centnolos cada vez más hasta colocarlos
en extremos opuestos del núcleo; en esta posición, el núcleo se observa rodeado .~ ~ .
,'
por los filamentos que quedan tendidos entre ellos como rayos que unen a 2 soles,
y en el centro sus extremos positivos se interdigitan (Fig. 23.13).
En el núcleo también han ido ocurriendo cambios. La cromatina se ha ido conden-
o"
~ ~ ~~.. 4
sando y aproximando a la envoltura nuclear y en el centro del núcleo aparece un
vacío; la condensación de la cromatina es cada vez mayor
y se llega a notar en el
~ -
microscopio óptico, que cada uno de ellos está formado por las cromátidas herma- .,-
nas unidas por el centrómero.
La lámina nuclear se hiperfosforila y se disgrega. La laminina A se hace soluble, y Fig. 23,13, El huso rodea
laB permanece unida a las vesículas quese forman al fragmentarse la envoltura
nuclear; esto es probable que las marque,
y que sin dudas sea el sitio de reconoci-
miento
cuandoen etapas posteriores de la mitosis
se reconstruya la euvoltura nu-
clear.
La desintegración de la membrana marca el final de la
profase.
2. Metaiase. La orientación diredonal de los cromosomas en el plano ecuato-
rial. Una vez «desensamblada» la envoltura nuclear, los microtúbulos polares se
introducen en la zona que ocupaba el núcleo,
y quedan entre ambos polos inva-
diendo esta zona con sus extremos positivos interdigitados
(Fig. 23.13). Los
cromosomas se mueven durante la metafase hasta que ocupan un plano que queda
perpendicular entre los 2 polos, a este plano se le denomina placa ecuatorial. En
este movimiento parece intervenir el «ensamblaje»
y
«desensamblaje» de los mi-
crotúbulos, y llegan a ocupar la placa ecuatorial cuando se establece un equilibrio
entre el «ensamblaje>* y «desensamblaje» por ambos lados del cromosoma. El
"desensamblaje" atrae a los cromosomas hacia los ásteres, pero con mayor iutensi-

54. Microtúbulos polares
c)
,, .
1 ....,
~icrotúbul& del cioetocoro
Fig. 23.14. Etapa? de la mitosis. (a) Solo se
representa a uno de los Cromo-
samas. La orientación se logra al
contactar los microtúliulos de cada
rinetoeuro, a ambos lados del
cromosuma, con la zona que ro-
dea a las eentriolos. (b) Separa-
ción de
las
cromútidm. (e) Fuerzas
que al parecer producen la separa-
ción de las cromátidas. Iro. Una
de ellas parece ser la separación de
los eentríolas y se observa una
menor interdigitación de los
mierotúbulos polares. Zdo. La otra
pudiera
ser el acortamiento de los
microtúbulos
del einetororo.
Fig.
23.15. La
citocincsis. En el ecua-
dor de la célula en división se
forma un anillo de aetina que
se va eonstriñendo.
dad, mientras más alejados se encuentran de los polos; en cambio es menor cuando
están más cercanos. La situación de equilibrio puede durar algún tiempo, y la
mitosis por ello puede durar un tiempo mientras queda detenida en esta fase (Fig.
23.14a).
3. Anafe. La separación de las cmmBOdas. La separación de las cromátidas co-
mienza de forma simultánea en todos los cromosomas y continúa con el movi-
miento de aquéllas hacia los polos (Fig. 23.14b).
Aunque el mecanismo es desconocido, una hipótesis que intenta explicar la sepa-
ración brusca y simultánea de las cromátidas es la siguiente: por un proceso de
regulación desconocido, los centrómeros terminan de duplicarse y como aquéllas
permanecían unidos por éstos, al terminar de dividirse en
2 se separan. La migra-
ción de cada cromátida a su polo se realiza a una velocidad aproximada de
1 pm
por minuto y aparentemente responde a
2 tipos de fuerzas
(Fig. 23.14~). Una de
estasfuenases ladel continuo «desensamblaje» de los microtúbulos del cinetocoro
en la zona que rodea a los ásteres y que provoca el acortamiento de los filamentos,
y la aproximación cada vez más de la cromátida a los polos. La otra fuerza, que
aleja los polos entre sí y que alarga al huso, depende, parece ser, del deslizamiento
entre los extremos de los microhíbulos polares. La disminución de la interdigitación
entre ellos disminuye por un movimiento de deslizamiento; en este movimiento
parece intervenir una proteína parecida a la dineina de los cilios y flagelos; se ha
demostrado que no intervienen la actina
y la
mimina.
En esta fase se observa el progresivo movimiento de los cromosomas hacia los
polos de la célula, molimiento en el cuál los centrómeros parecen arrastrar a los
cromosomas tras de sí.
Los filamentos de los
cinetocoros se acortan hasta un quinto
de su longitud original.
4. Telofase. Reaparición del núcleo. Al terminar la migración de los cromosomas,
desaparecen los microtúbulos; comienza la descondensación de los cromosomas y
se adosan a ellos las vesículas de la envoltura nuclear, que casi rodean a cada
cromosoma antes de fusionarse entre sí. Las proteínas desfosforiiadas de la lámina
nuclear pmn que orientan el «ensamblaje> dela membrana, quizás al poümerizaise
ellas. Las proteínas de los
poros
reaparecen,tennina el «ensamblaje» de la membra-
na, también finaliza la descondensación de la cromatina y comienza la síntesis de
ARN, así como la formación del nucléolo.
En esos mismos instantes está ocurriendo la citocinesis, que no es más que la
división del propio citoplasma celular que resulta de la formación de las 2 células
hijas (Fig. 23.15).
Durante la anafaseseforma por debajo de la membrana citoplasmáticaun anillo de
fibras de actina y miosina, cuya localización se corresponde con la placa ecuatorial
del huso. El mecanismo regulador que controla su formación es desconocido, así
como también lo son los cambios que ocurren al nivel de este anillo, el cual con el
tiempo se va cerrando cada vez más. En el exterior de la célula se observa la
formación de uncanal circular queva profundizándose hasta Uegar a individuali-
zar a las 2 células hijas. Debajo de la membrana plasmática, el grosor del anillo no
varía a pesar de ser cada vez menor su circunferencia, por lo que se presume que de
alguna forma se eliminan moléculas de actina
y miosina.
Al final desaparecen estas proteínas por completo, y entre ambas células queda
un
puente formado de membrana plasmática, los filamentos interdigitados muy
compactados entre sí y una sustancia muy condensada; después las células se
separan. Como los organelos de
la célula se
encontraban en cantidad suficiente y
distribuidos por todo el citoplasma, al producirse la citocinesis quedan repartidos
entre las 2 células hijas.
El núcleo, orgaaelo propio
de
los orgauismos eucariontes, está formado por
una membrana o envoltura nuclear, la uomaOna, al menas un nucléolo y el jugo
nuclear o nucieoplasma

55. La envoltura nuclear está constihiida por 2 membranas con un espacio
intermembranoso entre eUas y la atraviesan poros, a iravés de los cnaies se ponen
en comunicación el nueleoplasma con el citoplasma, pero por los cuáles s610 pasan
algunas sustancias @aso selectivo). La membrana externa nuclear se parece mu-
cho
al
retido endoplasmático rugoso, y de hecho, es una conünuación de ésie. Por
el contrario, la membrana interna nuclear no contiene ribwmas en su superficie
y
además, se relaciona por su parte
más interna con una orgadzaci6n especial
protefniea: la Iámina nuclear, formada por 3 proteínas. Esta estnidura es impor-
tante, pues regula la desagregación y la agregación de la envoltura nuclear duran-
telamitosis.
El nucléolo es el sitio de formación de los ARN ribosomales, pero además allí
se aensamblanm &cm con las proteínas ribosomales, sintetizadas en el citoplasma,
y se forman Las 2 subunidades del ribosoma que luego salen por los poros hacia
dicho espacio celular.
La cmmatina es la forma de organización del material genético durante la
interfase; en esta fase del ciclo celular se Ueva a cabo, de forma intensa, la síntesis
de ARNm y del propio ADN; estos procesos se fadlitan, ya que la cromatina está en
forma descondensada.
Al comenzar la mitosis, la cromatina se condensa miles de verm y se forman
los cromosomas que ya contienen
al material
genético duplicado, en forma de
cmmátidas. La mitosis se ha dividido en 4 etapas para su estudio; en ellas se obser-
van la condensación de la cromatina hasta la formación de los cromosomas, la
desaparición de la envoltura nuclear, la formación del huso mit6tico, la migración
de Las cmmátidas hacia el ecuador del huso, la separación de las cmmátidas hacia
los polos del huso, la formación de
2 núcleos y
finalmente, la división del citoplas-
ma celular entre Las 2 células hijas; todas estas etapas garantizan que estas nuevas
05Ilnlas posean el mismo material genético, así como el resto de los componentes
celoleres.
1. Haga un esquema del núcleo, en el que aparezcan el máximo de detalles posibles
representativos de su estructura.
2. Confeccione 2 listas de compuestos. En una de ellas mencione aquéllos que deben
atravesar los poros de la envoltura nuclear del núcleo al citoplasma
y en la otra
lista,los compuestos que atraviesan los poros en el sentido contrario.
3. Haga un esquema de lo que ocurre:
a) En el centro del nucléolo
y descríbalo.
b) En un lugar intermedio entre el centro del nucléolo
y
Lascapas más externas.
c) En la superficie.
4. Compare los procesos de
profase y anafase.
5. Busque en algún libro de Medicina Interna 2 enfermedades relacionadas con
alteraciones del cariotipo. Diga cuál es la alteración cromosómica existente
y cuá-
les son sus cousecuencias.

56. Resumen de la dón
Terminado el estudio de esta sección, el lector habrá podido percatarse de la
complejidad de la organización celular. Este tema se completará cuando, en capítulos
posteriores, se consideren la estructura y función de otros organelos, los cuales se
tratan en forma muy vinculada a las funciones metabólicas y de otra índole que ellos
realizan; tal es el caso de las mitocondrias y los ribosomas.
Durante toda la sección se puso de manifiesto la importancia general del& mem-
branas en la organización del sistema celular. Tres de los capítulos de esta sección
estndian diferentes membranas, de modo exclusivo, o vinculadas con otras estmcturas
("Membranas biológicas", "Organelos membranosos intracelnlares" y "El núcleo ce-
lular").
Resulta de gran interés que el lector haya comprendido la función de las diferentes
biomoléculas
y las interacciones
que establecen unas con otras en la organización y
función de los componentes celulares. Sin embargo, también debe resultar claro que
las propiedades de los diferentes organelos no son una simple suma de las de sus
constituyentes moleculares, sino que éstos integran sistemas que manifiestan propieda-
des
y funciones
que les son características y cualitativamente nuevas.
La membrana plasmática se estndió como prototipo demembrana biológica y a
ella se refirió, en primer lugar, el modelo de mosaico fluido, aceptado universalmente
en la actualidad para explicar las estructura y funciones, no sólo de la membrana
plasmática, sino de las membranas biológicas en general.
La membrana plasmática, como se expresó, no es una simple barrera que Limita a la
célula de su entorno, sino que se trata de un organelo muy activo
y dinámico
que
participa en el paso selectivo de sustancias a través de ella
y en ambas direcciones,
sobre todo en virtud de las proteínas transportadoras específicas en ella localizadas.
Los organelos membranosos
intraceinlares cumplen importantes funciones gene-
rales relacionadas con la compartimentación del espacio intracelnlar, el estableci-
miento de gradientes de concentración, la disponibilidad de áreas de superficie, el
incremento de las velocidades de los procesos metabólicos y la propia generación de
nuevas membranas.
En particular el retículo endoplasmático
y el aparato de
Golgi se vinculan con la
síntesis
y procesamiento de biomoléculas, especialmente proteínas y Iípidos. El últi-
mo de los organelos citados participa en la orientación del material sintetizado hacia
distintos lugares de la célula o incluso hacia su exterior.
Los lisosomas por su parte intervienen
enia degradación de biomoléculas que
Pueden provenir del exterior o ser material de la propia célula. Por último, los

57. peroxisomas intervienen en reacciones de descomposición del H,O, y de detoxifkación.
El citoesqueleto constituye un elemento fundamental de la arquitectura celular,
ya que posee una dinámica notable, dada sobre todo por la continua formación y
desintegración de los diferentes filamentos
y
túbulos que lo constituyen. En estos
procesos participan,además, diferentes enzimas y otros tipos de proteínas reguladoras.
El núcleo celular es un organelo de elevada complejidad y sus constituyentes
fundamentales son las moléculas de
ADN donde se conserva la información
genética
de las células. Este material adopta diversas formas organizativas durante el ciclo de
reproducción de la célula y la más organizada son los cromosomas, que intervienen en
el proceso de la mitosis.
Para concluir este resumen seiiataremos que si bien la organización didáctica del
contenido obliga a estudiar los diferentes organelos de manera separada, éstos no
deben ser considerados como entes totalmente independientes, sino que ellos funcio-
nan como un sistema muy coordinado, lo cual ha sido puesto en evidencia en esta
misma sección
y será reiterado a lo largo de todo el texto.

58. n esta sección se tratará el estudio de la genética molecular, lo que equivale a
decir, que se estudiarán los fenómenos relacionados con la herencia de las
E características propias de los seres vivos, desde el punto de vista de los análi-
sis de las estructuras, propiedades
y funciones de las moléculas que en estos procesos
intervienen.
Todas las
macromoléculas que participan en estos procesos se caracterizan por presen-
tar propiedades informativas, por lo que en el primer capítulo se discuten brevemente
algunos aspectos fundamentales de la información molecular
y de su transferencia, así
como su momento de expresión durante el ciclo de vida de la célula. Toda la sección
está prácticamente encaminada al estudio de las
3 grandes vertientes que tienen que
ver con la información genética,
o sea, su trasmisión, conservación y expresión.
Lasección comienza con el breve análisis en el capítulo
24 del complejo proceso
dela
transferencia de información en los seres vivos, sus formas de expresión, así como los
momentos del ciclo celular donde se hacen más evidentes estos mecanismos; en este
mismo capitulo se hace un hreve estudio del ciclo celular
y su regulación.
El fenómeno de la trasmisión de la información
genética se refiere al hecho comproba-
do de que los seres vivos pueden trasmitir sus características a sus descendientes,
haciendo que éstos sean esencialmente iguales a aquéllos, pero dentro de un amplio
margen de variabilidad. El fundamento molecular de estos
2 aspectos se discute en el
.
Tornado de Biochernistry. Lubert Stryer. Cuarta edición. 1995

59. capítulo 25, dedicado a la replicación del ADN que garantiza la estabilidad de la
información que se trasmite,en tanto en el capítulo31, dedicado a la recombinación
genética y el 32 a las mutaciones, se analizan las diferentes fuentes de diversificación.
La conservación de la información genética implica varias faceta: en primer lugar la
organización en cada organismo de las moléculas que la portan, que
es contenido del
capítulo
26 "Organización del Genoma
Eucariunte"; en segundo lugar los mecanismos
que mantienen
y reparan las moléculas que han sufrido algún
daiño, esto se trata en el
capítulo 33 "Conservación de la información genética".
Cada organismo, para ser cual es, debe expresar la información que contiene en su
material genético; este aspecto es uno de los más complejos, pues esa información
debe ser copiada primero en una molécula específica de ARNm, como se verá en el
capítulo 27 "Transcripción del ADN",
y después
en la secuencia de aminoácidas de las
proteínas como se estudia en el capítulo 30 "Traducción". Para ello es necesaria la
existencia de una relación entre estos
2 tipos de moléculas y por eso se dedica el
capítulo
28 al estudio del código genético, en tanto en el 29 se trata el estudio de los
ribosomas, que son los
orgauelos dondeocurre la síntesis de proteínas. Una eficiente
expresión de la información genética requiere de mecanismos de control que serán
estudiados en el capítulo 34 "Regulación de la Expresión Genética".
Para terminar la sección se ha considerado conveniente incluir en el Capítulo
35
"Tecnología del ADN
Recombiante" algunas aplicaciones de los conocimientos de la
genética molecular, sobre todo aquéllus relacionados con la práctica médica.
El campo de conocimientos de la genética molecular se ha desarrollado extraordiiia-
riamente en los últimos
30 años y en esta sección no se pretende hacer un análisis de
todos los procesos relacionados con ella, ni siquiera hacer un estudio
por~iieiiorizado
de los mecanismos que aquíse exponen. Ha sido necesario hacer una selección cuida-
dosa del contenido, teniendo en cuenta que este texto está dedicado principalulente a
estudiantes de ciencias médicas,
y de ahí la constante referencia a aquéllos aspectos
que
más o menos de forma directa pueden estar vinculados con esa esfera de conoci-
~iiieiitos.

60. Una de las características más sobresalientes de los seres vivos es la de poseer,
conservar y trasmitir a sus descendientes un elevado grado de organización, que cons-
tituye
a su vez un requisito indispensable para su funcionamiento. El tipo, el número
y la composición de sus moléculas, la forma de disponerse en las células, sus
intemlaciones mutuas, la especialización
y diferenciación en la formación de órganos
y sistemas, etcétera,
están determinados desde el momento en que un ser comienza a
existir. De la intemlación entre el organismo y el medio dependerá que esas caracterís-
ticas se manifiesten en toda su intensidad. En este capítulo se tratarán los aspectos más
generales que están relacionados con la forma en que esa elevada organización se
deriva de propiedades específicas de moléculas concretas.
En los capítulos anteriores se ha hecho referencia a un término que tiene gran
significado biológico, que en este momento es necesario profundizar para lograr una
mejor comprensión del contenidodelas páginas siguientes; ese término es el de infor-
mación molecular.
La información molecular es el fenómeno por medio del cual las estructuras hioló-
gicas adquieren,mantienen y trasmitenun elevado grado de organización, a pesar de
la tendencia natural al desorden. Existen definiciones más
o menos complejas del
término, incluso hasta con
formulaciones matemáticas, que a este nivel de interpreta-
ción no resulta necesario discutir.
En todos los
casos el término está caracterizado por 2 rasgos básicos generales. Por
una parte, su
asociación con la disminución de la entropía, que caracteriza el funciona-
miento general de los sistemas vivos y, por otra, su indisoluble vinculación con lo
variado, lo diverso
y lo diferente.
Lo más característico en la composición química de los seres vivos es la existencia
de las macromoléculas, a partir
delas cuales se forman todas las estructuras celulares,
cuyas funciones son en última instancia las resultantes de las propiedades, las funcio-
nes !. las forma3 específicas de organizarse las macromoléculas que las constituyen. Es
precisamente la organización estructural de esas macromoléculas la que condiciona la
aparición de la información molecular.

61. Formas de la infonnaci6n molecular
Es necesario precisar que al nivel molecular podemos distinguir2 tipos principa-
les de información: la información por secuencia o secuencial, y la información por
conformación o conformacional.
La secuencial corresponde a macromoléculas donde se da en un todo armónico la
unidad de lo monótono
y lo
diverso,pero donde lo diverso desempeña una funciónde
codificación, la de constituir un conjunto de signos sucesivos con un ordenamiento
lineal y con una significación precisa. Esta forma de organizarse la información es la
más adecuada para su conservación porque puede existir en macromoléculas de eleva-
da estabilidad, tanto química como metabólica, con lo cual puede mantenerse inalte-
rable durante un tiempo prolongado. Del mismo modo esta forma es la más adecuada
para su trasmisión, ya que por mecanismos más o menossencillos de codificación se
puede reproducir esa información organizada de forma lineal como la sucesión de
elementos diversos
a lo largo del eje covalente de la macromolécula y distribuirlade
manera equitativa en los organismos descendientes.
Pero este tipo de información, debido principalmente a estos factores, no es todo
lo funcional
quese requiere para dar cuentade las múltiples
y diversas actividadesde
un organismo, aunque se trate del más simple o el más complejo. Esto significa que no
puede expresarse directamente mediante la realización de otras funciones específicas
que no sean conservar
y trasmitir su contenido.
La información conformacional está contenida también en macromoléculas, don-
de existe la unidad de lo monótono y lo diverso, pero este último se distribuye en las
3 dimensiones del espacio, ocupando posiciones precisas que hacen posible la realiza-
ción de funciones específicas, determinadas por esa disposición espacial.
Esta distribución permite, por
un mecanismo de complementaridad espacial, el
reconocimiento de moléculas específicas de igual o diferente naturaleza.
Esta forma de
organizarse la información presenta serias dificultades para su conservación, pues
estas estructuras tridimensionales se mantienen generalmente por
interacciones débi-
les y porello no presentan gran estabilidad. Su utilidaden la trasmisiónesaún menor,
puesse trataría de duplicar y después distribuir equitativamente todas y cada una de
las moléculas con funciones específicas en las células, de manera que las células hijas
contengan la misma información que aquélla que ledio origen.
El fenómeno de la identificación o reconocimiento molecular es el nivel básico de
manifestación de la información conformacional, pues mientras una molécula no po-
sea la propiedad de reconocer o idenoficar a otra, no podrá la primera realizar ninguna
acción específica sobre la segunda,^ lo que es lo mismo no podrá realizar funciones
definidas.
Para que este reconocimiento se produzca las moléculas deben tener determinadas
características estructurales, debe existir un sitio ubicado en la ~upe~cie de la molécu-
la, construido a expensas de la estructura tridimensional. Estesitio debe poseer una
conformación complementaria a la sustancia que va a reconocer y presentar grupos
químicos en posiciones precisas que permitan una interacción atractiva, generalmente
no covalente, entre las 2 moléculas.
Una vez realizada la identificación se produce una reacción de inmovilización de
la sustancia reconocida, formándose complejos que según el caso pueden tener dife-
rentes destinos. La identificación puede ser seguida de acciones diferentes, según las
propiedades de la macromolécula dada, unas veces ocurre la transformación de la
sustancia reconocida, otras, suceden modificaciones de la actividad específica de
alguno o todos los componentes del complejo, y en determinadas ocasiones se dan las
2 situaciones anteriores. En muchos casos el destino de este complejo y los mecanis-

62. mos por los cuales se realiza no han sido esclarecidos suficientemente, como sucede
con el complejo antígeno-anticuerpo, como veremos en el capítulo
SO. En resumen,
los 4 estratos básicos de manifestación de la información conformacional serían:
1.
Reconocimiento-inmovilización-hirnsconfoón.
2. Reeonocimiento-inmovilización-transeonformación-modulación.
3. Reconocimiento-inmovilización-transconformación-translocalización.
4. Reconocimiento-inmovilización-transconformación- ?
Nótese que en las 4 casas la idenaficación representa la primera etapa del proceso.
A diferencia de la información secnencial, la información conformacional presen-
ta diferentes grados de actividad funcional. Para que un grupo de moléculas pueda
realizar funciones diversas
y específicas debe poseer información conformacional.
li.ansferencia de información
En capítulos anteriores ha quedado demostrado que en las macromoléculas fun-
cionales, la conformación depende de su estructura primaria, de su secuencia, por lo
que en éstas se funden los
2 tipos de información: la secuencial y
laconformacional.
Puede decirse que en estas moléculas la información contenida en la secuencia es
precisamente la de cómo construir la estructura iridimensional. En ellas se produce la
transición de lo secuencial a lo conformacional.
Pero la información secuencial, como hemos visto, es la adecuada para la trasmi-
sión, por lo tanto, ésta debe provenir de otra molécula que sólo contenía este tipo de
información y la de esta última, provino a su vez de otra macromolécula con informa-
ción también de tipo secnencial.
En esto consiste una de las principales regularidades que se observa en los orga-
nismos vivos
y que se refiere a la forma en que fluye lainformación en las células. No
importa el número de etapas en que el proceso se desarrolle, ni los mecanismos
moleculares implicados en cada una de ellas, ni las formas específicas en que lo realiza
cada organismo particular: la información molecular se trasmite siempre desde
una
molécula con información secuencial hacia otra molécula con información
conformacional; esto es lo que hemos denominado principio de transferencia de infor-
mación.
Esa transferencia de información se manifiesta en los organismos vivos mediante
3 mecanismos básicos. El primero
-la conservación- tiende a mantener la información
lo más invariable posible, utilizando estmcturas de elevada estabilidad y procesos de
rectificación
y reparación. El segundo
-la trasmisión- garantiza el paso de la informa-
ción de un organismo a sus descendientes con el más elevado grado de fidelidad, de
modo que todos los descendientes posean en esencia la misma información. El tercero
-la expresión- consiste fundamentalmente en la dirección de la síntesis de moléculas,
dondese produzca la transición hacia la información conformacional, y ésta se exprese
en funciones específicas que permitan el mantenimiento, desarrollo
y reproducción
del organismo que la posee.
Estos
3 procesos se llevan a
cabo en diferentes momentos de la vida celular, por lo
cual a continuación se hará un estudio somero de las características de los principales
estados o fases por los que atraviesa una célula durante su vida.
Todas las células al pasar de una generación a la siguiente experimentan una
secuencia periódica de eventos que recibe el nombre de ciclo celular.
En muchos microorganismos y en células cultivadas de organismos superiores, tie-
Componentes celulares y Genética molecuiar 429

63. Fig. 24.1. Estudio de la replicaeión del ADN
durante el cielo celular. (a) El eon-
tenido celular de ADN aumenta de
manera brusca en un momento de-
terminado del cielo celular y defi-
ne el periodo S. (b) La ineorpora-
eión de [Y]-timidina durante el
ciclo celular presenta
un incremen-
to
que se corresponde con el pe-
ríodo
S y después desciende. Am-
bas experiencias demuestran el
carácter discreto de
la síntesis del
ADN.
nen lugar, previo a cada división, la duplicación casi exacta del tamaño de la célula y del
númerode suscomponentes moleculares. Enmuchos huevosfertüizados, por oha parte,
no se produce incremento del tamaño y, aparte del ADN, sólo un número reducido de
moléculas se duplican durante las primeras divisiones celulares, esto se conoce como
clivaje. La mayoría de las células que forman parte de los animales
y las plantas caen
dentro de una categoría intermedia, en la que existe generalmente una duplicación del
tamaño celular, pero sin una duplicación exacta de
todas sus moléculas.
La síntesis de los componentes celulares a lo largo del ciclo puede realizarse de
forma continua o discreta. En este último caso su período de síntesis puede ser largo o
corto y pudiera ocurrir en cualquiera de las etapas del ciclo.
El período o etapa que presenta cambios fácilmente observables
al microscopio
es, sin lugar a dudas, la división celular,
que ya fue estndiada en el capítulo
23. Como
el mecanismo básico general de la división celular es la mitosis, este período se desig-
na como
M. En un principio el ciclo celular se describía como formado sólo por 2
etapas: la mitosis (M) y el resto denominado
interfase por encontrarse entre la telofase
(última fase de una mitosis) y la profase (primera fase de la siguiente).
Otro evento de singular significación dentro del ciclo celular es el proceso de
duplicación de la información genética, o sea, la síntesis del ADN, éste se conoce como
replicación o autoduplicación
y es el que hace posible que durante la mitosis cada
célula formada contenga la misma información
genética, haciendo que ambas sean de
la misma estirpe celular.
Para determinar si la síntesis del ADN se producía de forma continua o discreta se
realizó un experimento sencillo, pero concluyente. Se cultivaron células en un medio
adecuado hasta obtener una población celular grande. En
un momento determinado se
le añade al medio
['4C]-timidma, a los pocos momentos el cultivo se lava para eliminar
el exceso de reactivo, las células se fijan y la preparación se recubre de una película
fotográfica -procedimiento conocido como autorradiografía- y después de un tiempo
prudencial se revela la película.
Este experimento se basa en una idea muy simple. Si la síntesis del ADN se produ-
ce de forma continua durante todo el ciclo celular todas las células incorporarán
[l4C1-timidina, pero si se realiza deformadiscreta, sóloincorporarán ['TI- timidinalas
que en el momento de la exposición estén en el período de síntesis. Como puede
apreciarse en la figura
24.1 los resultados fueron concluyentes: la síntesis del ADN se
realiza de forma discreta en un momento determinado del ciclo.
Este proceso define otra de las etapas que, debido a estar caracterizada por la
actividad de síntesis del ADN, se le ha denominado período o etapa
S. Este proceso
ocurre en un período que está separado de la división por
2 etapas conocidas como G,
(entre M y S) y
G, (entre S y M). La denominación de estos períodos proviene de la
inicial de la palabra inglesa gap que significa brecha, hueco o hendidura.
Esta situación ha sido comprobada en múltiples organismos eucariontes, por lo
que se considera que tiene carácter casi universal.
Para calcularla duración de las diferentes etapas del ciclo celular se procedió de la
forma siguiente: mediante control visual se estableció que la fase M (mitosis) duraba
aproximadamente
1 hora. El ciclo celular
deM a M era de 26 horas. A un cultivo de
células HeLa se añadió [3H]-timidina durante un breve tiempo
y se fueron obteniendo
muestras del cultivo en intervalos regulares de tiempo, para analizar el número de
células que aparecían marcadas durante el período de mitosis. Las primeras células
mitóticas no estaban marcadas
y lo mismo sucedía con las siguientes, hasta unas 6 ó 7
horas después de la exposición a la
['HI-timidina; en ese momento el número de
células marcadas crecía extraordinariamente. Era razonable pensar que estas primeras
células mareadas eran las que estaban en la parte final del período S cuando se produjo
la exposición; de esta manera pudo establecerse que la duración del período G, era de
6 horas. El mismo razonamiento condujo a dilucidar la duración de las demás etapas
del ciclo. Unas
17 horas después de la exposición, el número de células mitóticas
marcadas
deseendía abmptamente,de ahíquela duración del período
S seestableciera

64. en 17 - (6+1) = 10 horas, y el período G, duraría 26 - 17 = 9 horas (Fig. 24.2).
En las células de los organismos adultos, la duración de los períodos M
y S son
prácticamente constantes, de
abíque las variaciones en la duración del cid0 dependen
fundamentalmente de la duración de los períodos G,
y G,, en especial del primero.
En organismos superiores es frecuente encontrar células especializadas que no se
dividen o lo hacen raras veces. En estos casos, después de la división celular (M), la
célula pasa a un estado metabólico particular que se diferencia esencialmente del
período G,. Hace
algunos años
paracaraeterizar este estado se introdujo el concepto de
período Go; para que una célula en este estado pueda llegar a dividirse tiene que
introducirse primero en el períodoG,,en el cual se producen las condiciones necesa-
rias para la replicación del
ADN
primero y la división celular después. En las células
embrionarias de los primeros estados G,
y G, casi no existen y aún se produce un
acortamiento del período
S, por un mecanismo que se estndiaráen el capítulo
próximo,
haciendo que el ciclo celular ocurra a gran velocidad.
Actividad biosintética durante el cielo celular
Para el estudio de la síntesis de los diferentes componentes celulares y sus varia-
ciones durante el ciclo es necesario contar con células de crecimiento sincronizado,
aue todas se encuentren en el mismo oeríodo del ciclo celular.
Todos los métodos descritos para la obtención de cultivos de células de creci-
miento sincronizado pueden dividirse en
2 grupos: los de selección y los de
induc-
- -
ción. Generalmente los de selección tienen un rendimiento mucho menor que los de
inducción.
Los métodos de selección consisten en aprovechar alguna propiedad especial de
las células en algunas de las etapas del ciclo
y, haciendo uso de ella, separarlas del
resto. Por ejemplo, las células en
G, son mucho más grandes que en G, y por ello es
posible separarlas por centrifugación en gradiente de densidad (Fig. 24.3).
Los métodos de inducción química tienen un uso más generalizado
y dependen
Fig. 24.2. Duración del
ciclo celular en una
célula animal típica. Los períodos
de división celular
(M) y de sínte-
sis del
ADN (S) están separados
par
2 fases de duración variable
U, y G,. El período Gu se utiliza
para tipificar la situación de eélu-
las
que no se dividen o lo
hacen
raras veces, como las células espc-
cidiradas de les organismos supe-
riores.
Aunque ubicados en igual
posición
en el esquema hay dife-
rencias esenciales entre los perío-
dos
G.
Y G. Los números dentro
,. "
del círculo representan la duración
en horas de cada una de las perío-
dos
en una célula animal típica.
Fig. 24.3. Sincranización por selección. (a) Las células cultivadas se colocan en tubos de centrífuga
que contienen ficol en una concentración que va desde S % en la boca hssta 10 % en el
fondo, creando así un gradiente de densidad.(b) Al ser eentrifugadas las células se desplazan
hacia abajo, acumulándaae en una zona donde su densidad corresponde con la del medio de
centrihgación. (t) Como las células en U, son muy grandes se desplazan mucho más hacia
el fondo. El tubo
se perfora par el fonda y se obtiene
Is fracción que contiene las células en
penada G,, y se cultivan nuevamente.
Componentes celulares y Genética molecular 431

65. Fig. 24.4. Sincronización por inducción. Un
cultivo de células se incorpora a
un medio que contiene timidina
suficiente para alcanzar
una con-
centración final de 2
mM durante
un tiempo igual a G, + M + G, (A).
Como la timidina en esa concen-
tración inhibe la síntesis del
ADN,
las células van acumulándose al
final de
G,. El
inhihidor se retira
(B) y después de algunas ciclos de
división celular el proeedimifnto
se repite (C), con la cual se logra
un rendimiento considerablemente
mayor.
de la acción selectiva de un inhihidor. Inhibidores de la síntesis del ADN como la
fluordesoxiuridina, la hidroxiurea o elevadas concentraciones de timidina
(2
mM)
bloquean el crecimiento celular en el período S, mientras que inhihidores de la mitosis
como la colchicina, lo hacen en metafase. Después de retirar el inhibidor, las células
acumuladas en la fase del ciclo anterior donde actuó el inhibidor empleado, continúan
el ciclo sincronizadamente. Se puede aumentar el rendimiento si el procedimiento se
reaite más de una vez mic. 24.4). . -
Utilizando células de crecimiento sincronizado se han podido estudiar los proce-
sos de síntesis de los principales componentes moleculares de las células.
Para determinar el momento del ciclo, cuando se produce la síntesis de un compo-
nente específico, pueden seguirse
2 procedimientos: medir durante todo el ciclo el
contenido celular de ese componente, o medir la actividad
hiosintética por la incorpo-
ración de precursores marcados de forma radiactiva.
En contraste con la replicación, la síntesis de los ARN estudiada por la incorpora-
ción de [3H]-uridina, parece ser continua durante todo el ciclo, con excepción de la
mitosis, tanto en animales
y plantas como en microorganismos.
La intensidad de este proceso, conocido también como transcripción, va aumen-
tando en la medida que avanza el ciclo
y comienza a disminuir en
G, para llegar
prácticamente a cero durante la mitosis. Los estudios realizados indican que al menos
en la mayoría de las células esta situación ocurre con los
3 tipos principales de ARN
(mensajero,
rihosomal y de transferencia) (Fig. 245).
.r:
Fig. 24.5. Estudio de la transcripción durante el ciclo celular. (a) El contenida
celular de
ARN total aumenta de forma continua durante el
cielo
celular
y
sólo comienza a disminuir al final del período G,. (b) La [jp/
2 -
=
incorporación de un precursor de los ARN como la ['HI-uridina
durante el cielo celular,
va
inirementándose hasta la parte final del
U
periodo G,, donde desciende lentamente. Estas 2 experimentos evi-
dencian
que la síntesis de los ARN, la transcripción, se produce do
manera ininterrumpida durante el cielo de vida de la célula, con
excepción de la mitosis.
(b)

66. Las proteínas en general tienen una síntesis continua a lo largo de todo el ciclo,
con una marcada disminución durante la mitosis, como se evidencia por la incorpora-
ción de ['HI-prolina. Esto concuerda con lo expresado para los ARN mensajeros, como
se verá más adelante. No obstante, existen grupos de proteínas específicas cuya sín-
tesis es discreta, esto es sólo en un período determinado del ciclo. Tal es el caso de las
histonas cuya síntesis selimita al período
S, simultáneo con la duplicación del ADN.
El proceso de síntesis de
proteínas recibe el nombre de traducción (Fig. 24.6).
El estudio de la síntesis de los lípidos de membrana se hace mucho más difícil por
la heterogeneidad estructural de estos compuestos. Sin embargo, las experiencias
midiendo la incorporación de ["HI-colina o ["]-inositol permiten afirmar que estos
componentes celnlares también se sintetizan de forma continua durante el ciclo celu-
lar (Figura 24.7).
Estndios similares demuestran que también es continua la síntesis de polisacáridos
complejos y otros componentes celulares.
Si se estudia la velocidad de síntesis de muchos de estos componentes y se calcula
el incremento de concentración que debía producirse en un período
determinado, y se
compara con el incremento que realmente se ha producido, determinado de manera
experimental, se comprueba que el incremento observado es siempre menor que el
esperado.
Esto significa que los componentes celulares esián sometidos a un recambio cons-
tante, o sea, que son degradados constantemente. Los incrementos de concentración
que se prodncenson entoncesla resultantedela intensidad con que transcurren los
2
procesos contrarios: la síntesis y la degradación. Estos resultados constituyen una
evidencia más del principio del recambio continuo.
Los fenómenos de conservación. trasmisión
v exnresión de la información
genética
u.
esián ubicados de forma continua o discreta a lo largo del ciclo celular; su ubicación y
los mecanismos moleculares de esos procesos, son los aspectos que serán abordados en
los capítulos siguientes.
fig. 24.7. Estudio de la síntesis de lípidos de membrana durante el cielo celular. (a) La figura muestra
que el contenido celular de fusfolipidos aumenta de forma continua durante el ciclo celular.
(b) Resultado del estudio de incorporación de ['HI-colina (precursor de la síntesia de
fosfatidil-colina y esfingomielinas) muestra que ésta es continua durante el ciclo. Los 2
experimentos dcmucstran que al igual que otros componentes moleiulares, la sintesis de las
lípidos de las membranas
es un proceso continua.
Fig. 24.6. Estudio de la traducción durante
cl cielo celular. (a) El contenido
total de prnirinas celulares
se incremcnta de forma continua dii-
rante el ciclo celular. (0) La incor-
poración deaminoácidos a las pro-
teínas, medida
con
PHI-prolina sc
producc con intensidad variahle
durante todo el ciclo.
Los resulta-
dos de estos experimentos confir-
man
que la síntesis de proteínas se
produce de
forma continua.
Componentes celulares y Genética molecuiar 433

67. Reguiacih del cielo celular
Era de esperar que un proceso tan importante como el ciclo celular estuviera bajo
un preciso sistema de regulación, pera hasta la segunda mitad de la década de los años
80 estos mecanismos eran casi desconocidos. Debido a los progresos alcanzados en el
estudio de la transformación cancerosa se ha logrado comenzar a penetrar en las carac-
terísticas moleculares de esos mecanismos. Quedan aspectos esenciales por resolver,
pero existe en el momento actual una visión bastante aproximada de los mecanismos
moleculares básicos que controlan el ciclo celular.
En este
procesa existen mecanismos positivos que estimulan la proliferación celular,
y los negativos, que la inhiben. En ambos casos, al menos en las células en cultivos y las
de los individuos adultos, las señales estímulos
quedesencadenan Las respwstas,provie-
nen del exterior de la célula. El grupo mejor conocido de señales positivas
está constitui-
do por
un
gmpo de polipéptidos conocidos como factores decrecimiento, los cuales son
especüicos para tipos particulares de células. Estos factoresseunen con receptores espe-
cüicos localizados en la superficie celular; a partir de esa unión se produce la activación
de un gmpo de proteínas quinasas, que en forma de cascada enzimática, van transñriendo
lainformación mibidadel exterior hacia el núcleo celular, donde se activa la replicación
del
ADN primero y la división celular después.
Las señales negativas son menos conocidas, pero su existencia no se discute. Esta
certeza nace de la observación de la inhibición del crecimiento por contacto, o sea,
cuando se cultivan células éstas crecen
y van cubriendo la superficie del soporte
donde fueron sembradas, hasta que entran en contacto unas con otras, cuando el creci-
miento se detiene.
Sin embargo, a pesar del gran número de señales ambientales que
iduyen sobre la
progresión del ciclo celular, las moléculas participantes en la última etapa del proceso
de regulación se reducen a unas pocas familias de proteínas, algunas de las cuales
presentan actividad enzimática.
Los estudios másintensos se han &do en levaduras, un eucariontemonocelular,
en las cuales es mucho más Eácil la obtención de mutantes que en células de organimos
superiores. Los mutantes que exhiben alguna alteración del ciclo celular han sido
denominados CDC (cell division cycle)
y se han ido numerando de acuerdo con el
orden de aparición. Se ha comprobado que cada uno de ellos presenta alteraciones en
un gen único.
Genes homólogos a los
CDC de levaduras han sido identificados en
otrasespecies, incluyendo al hombre,
y casi siempre se refieren con la
mismanomen-
clatura que los delevaduras.
Entre las familias proteínicas implicadas en este proceso se incluyen las siguien-
tes: las ciclinas, las proteinas quinasas dependientes de ciclinas Cdk (cyclin-dependent
kinases), los inhibidores de las Cdk (CDI), las fosfoproteínas fosfatasas y otras proteí-
nas con diversas funciones, casi todassustratos de las quinasas.
A estos
grnpos deben
agregarse todas las especies moleculares que intervienen en la replicación del
ADN y
que serán estudiadas en el capítulo siguiente.
Las ciclinas son un grupo de proteínas con relativo bajo peso molecular, que
pueden ser consideradas como el componente principal de estos mecanismos regula-
dores. Su nombre deriva del hecho de que su concentración varía en forma cíclica
durante el ciclo celular. En un momento determinado su síntesis es estimulada
y su
concentración aumenta de manera brusca en la célula, pero momentos después son
degradadas a gran velocidad
y su concentración intracelular disminuye. Por ejemplo,
la ciclina
B comienza a sintetizarse al final de la
interfase y su concentración se
incrementa notablemente, mientras el ciclo progresa hacia la mitosis, pero una vez
alcanzada la metafase se degrada de forma que al final de la mitosis su concentración
intracelular es casi cero. Las ciclinas funcionan como las subunidades reguladoras de
las Cdk (Fig. 24.8).
434 lhqwímcu MiCdk4

68. Fie. 24.8. Variación de la concentración de ciclinas durante el cielo celular. Se muestra como la -
concentración de eada una de las principales cidina fluctúa durante el ciclo celular. En todos
los casos la concentración aumenta rápidamente
en
un momento, debido al incremento de
la síntesis,
Se alcanza un nivel máximo cuya duración es diferente para
eada una, y después
se produce un rápido descenso debido a 1s degradación de estas proteínas. Sin embargo, la
concentración de las quinasas dependientes de ciciinas (Cdks) se mantiene invariable duran-
te todo el ciclo. Como las auinasas son inactivas en ausencia de eiclinas en cada etapa del
ciclo
su especificidad será diferente en dependencia de la
cielina a la cual está unida.
Las proteínas quinasas dependientes de ciclinas (Cdk) son enzimas que transfie-
ren un grupo fosfato del ATPhacia residuos de serina o treonina de proteínas sustratos.
Las Cdk resultan a su vez reguladas por ciclos de fosforilación -desfosforilación.
La enzima mejor estudiada es la Cdk2 que contiene
3 sitios de fosforilación:
uno en la
treonina 14 (T14),otro en la tirosina 15 W15) y el tercero en la treonina 161 (T161). La
fosforilación de los 2 primeros sitios tiene un efecto inhibitorio, mientras que la del
tercero es activante. Existen quinasas específicas para la fosforilación en TI4 y Y15.
La fosforilación en TI61 se realiza por la quinasa activadora de la Cdk2 (CAK), cuya
subunidad catalítica es la Cdk7 y la reguladora es la ciclina
H. Si la Cdk2 está
fosforilada, pero no está unida a ciclinas, puede ser desfosforilada por la fosfatasa
asociada a las
quinasas (KAP), pero en presencia de la ciclina esta desfosforilación
no es posible (Fig.
24.9).
ATP ADP
Fig. 24.9. Activación de las
quinasas de-
pendientes de eiclinas. La estruc-
@$i, T161\@ tura de las Cdks contienen 3 sitios
8
de fosforilación y uno de unión a
las eielinas. En ausencia de las
c'
cielinas y de la FosForilaeión son
inactivas. La fosforilación de los 3
sitios las mantiene inactivas aun
.- . @
cuando estén unidas a las eiclinas.
El estado totalmente activo
se al-
;\$
cama cuando la quinasa unida a la
-O5 T161\@ eiclina está fosforilada sólo en la
~ ~
treonina 161.
A diferenciade las ciclinasllas Cdk se sintetizan de forma constitutiva durante
todo el ciclo celular, pero son inactivas a menos que estén unidas a un tipo particular
de ciclinas y de
ahí so nombre. Las ciclinas no poseen actividad
catalítica, pero son 1%
que determinan la especificidad de sustrato de las quinasas.
Componentes celulares y Gedtica molccular 435

69. Entrelas fosfoproteínas fosfatasas que participan en el ciclo la más conocida es la
Cdc25. aue cataliza la hidrólisis de los enlaces éster fosfóricos de la Cdk2 en T14
v
Fis 24.10. Las Minas v la oroeresión del
ten& de un compleja específico
ciclinaK!dk. En G, el papel predo-
minante lo tiene el complejo ciclina
DICdk-4. En el resto de las fases In
actividad de la Cdk-2 unida a di-
ferentes eiclinas es la responsable
de hacer progresar el cielo hasta
alcanzar la división celular.
. -
Y15. Otras fosfatasas menos específia tambien inte~enen.
Los inhibidores de las quinasas dependientes de ciclina (CDI) son un grupo de
proteínas cuyas masas moleculares están en el rango de 15 a 30 kD, y los hay con un
elevado grado de especificidad y otros mucho menos específicos.
Una vez conocidos los componentes moleculares que intervienen en la regula-
ción del ciclo, es conveniente dar al menos una idea de cómo transcurre el proceso,
aunque es bueno recordar que todavía no se conocen todos sus aspectos.
Al comenzar la etapa G, comienza a incrementarse la síntesis de la ciclinaD, la
cual al unirse a la Cdk4 dirige la actividad de esta enzima hacia ciertos sustratos
específicos, cuya actividad promueve la progresión del ciclo por esta etapa. En la
transición entre
G, y S, la ciclina D es degradada. Al final de G, había comenzado la
síntesis de la ciclina E que
alcanza
su concentración máxima precisamente al comien-
zo de S. El complejo EICdk2 fosforila proteínas relacionadas con el comienzo de la
replicación del ADN. La progresión de la etapa S depende de la actividad del complejo
NCdk2 La relación entre las concentraciones delas ciclinas E y A modula la activi-
dad de la proteína E2F, que es un factor que activa la expresión de los genes relacio-
nados con la fase
S. Al inicio de esta fase, cuando predomina la ciclina E, el
complejo
EICdk2 activa a E2F, pero en la medida que la fase progresa la concen-
tración de la ciclina E disminuye y aumenta la de la ciclina
A, que al formar el
complejo
NCdk2 provoca la inhibición de E2F. En el tránsito de
S a
G,comienza
a incrementarse la concentración de la ciclina
B. Los complejos formados por la Cdkl
con la ciclina
B son conocidos como factor promotor de la mitosis
(MPF).
Al llegar a la metafase el
MPF estimula la degradación de las ciclinas con la cual
se produce la inactivación del propio MPF, y se induce la anafase. Las
ciclinasA son
degradas antes que las
B. Esta inactivación del MPF y la degradación de las ciclinas
son necesarias para la culminación de la mitosis
(Fig. 24.10).
ATP
ATJ ADP
ADP
Falta aún mucho por descubrir sobrelas moléculas y mecanismos implicados en el
control del ciclo celular, pero cada día el conocimiento científico refleja con mayor
grado de aproximación la realidad de este proceso. Su conocimiento cabal no es sólo
un problema interesante desde el punto de vista biológico, es también importante para
la
~ráctica médica cotidiana. Se ha demostrado ane aleunos de los comnonentes de .
este sistema están relacionados con la génesis del cáncer. De hecho fueron las investi-
gaciones acerca de los mecanismos moleculares del cáncer las que dieron el impulso

70. necesario para la investigación en este campo. Es necesario tener presente que mien-
trasmayor
y más profundo sea el conocimiento sobre la génesis de esta enfermedad,
mayores serán las posibilidades de encontrar
un tratamiento eficiente para combatirla.
Resumen
El elevado grado de
organizaci6n que caracteriza a los seres vivos se mantiene
gradas a
la
informaci6n moleeular, éata puede ser de tipo seeueneial, adecuada
para la conse~1sci6n y la trawiisi611, y de tipo oonformacíonal, apropiada para la
expresi6n. El principio de transierencia de iniormaeión establece que la informa-
d6n moledar Buye desde
la
seniencid hacia la conformacional.
El ciclo celular comprende todas las transformaciones que las células experi-
mentan durante su vida En él se &Onguen 4 etapas: la M o de división celular, la
S o de shteala del
ADN,
asZ como las etapas G, y G, que separan las 2 etapas
anteriores.
Los principales componentes
maeromoleeulares de las células se sinte-
tizan de forma discreta, corno el ADN y las hiptolfas; y de forma continua, comolos
ARNs,las proteinas y los üpidos componentes de las membranas. Para el estudio de
estos asoectos se utilizan las técnicas de cultivos de células de crecimiento
sincron&ado y de captad611 de precursores radhcüvos, entre otres.
Los meeaatsnios moleculares de regulación del dclo celular no están total-
mente conocidos. Se sabe que exbten factores reguladores positivos y negativos, asZ
como un grupo de familias protelaicas implicadas en el proceso. Las cielines ac-
túan sobre las Cdk y determinan su especWiddad de aeei6n, con lo cnai resultan
fosforllados determinados sustratos en momentos claves del ciclo celular. Las
fcdntasas y los inbibidores de
las
quinasas contribuyen a la modulsd6n ñna de
estos mecanismos. El conodmiento del ciclo celular tiene importancia en la prácü-
ca médica por su vinculad6n con la génesis del cáncer.
Ejercicios
1. &Qué relación existe entre la desaparición del nucléolo durante la profase y los
datos conocidos sobre las características de la síntesis de ARN durante el ciclo
celular?
2. Se dice que la existencia de las cromátides es la expresión citogenética de la
duplicación del ADN
¿Por qué?
3.
cuáles son las características estructurales que debe reunir una macromolécula
para presentar información secuencial
y cuáles para la conformacional?
4. Un cultivo de células no sincronizado se expone a
"C- inositol durante un breve
período, después se lavan las células para eliminar el exceso, se someten las células
a un proceso de autorradiografía y al revelar la placa se encuentran que todas las
células incorporaron el 14C-inositol con igual intensidad &Cuáles serían las conclu-
siones del experimento? ¿Cuál de los componentes celulares se estaba estudiando?
5.
¿Si el experimento de La pregunta anterior se hubiera realizado con células de
crecimiento sincronizado, sena igual la interpretación de los resultados?
6. Algunos autores sugieren que cuando se trata de células eucariontes, sería más
correcto decir la duplicación de la cromatina que la duplicación del ADN
&En qué
se fundamenta esta afirmación?

71. 1.a transferencia de la iuforinación genética de padres a Iiijos constituye el fenó-
inenn mis iinportantc de la materia viva,esto no sólo garantiza la sucesión deba vida,
sino i1dei116s. constituye el inecanismo básico de conservación de las especies, pues
los drscendientes siemprc poseen características estructurales
y funcionales similares
a los
progcnitorcs. I'.n los orjianisinos monocelulares esta transferencia es directa,
pues se prndiicc por el iiiccanis~no de división celular ya estudiado (capítulo
23). En
los
or~iiiisiiios pliiriceliilarcs, sin embargo, existen células especializadas en esta
fuiicii>n que son Lis ci.luliis scxii;iles. [.as células sexuales niasculina (espermatozoide)
y
f~iiieiii~ias (i,viilo). portando cada una la información genética de la especie, se unen
en la fecundacii,~~ y mediante procesos coiiiplejos, más o menos prolongados, dan
origen al or~aiiisiiio ionipleto. Al ser los ganietos haploides en la fecundación se
rcstituyc el nÚnier« diploide característico de la especie. Como la fecundación es
especifica. todos los seres vivos darán descendientes iguales a sí, o sea, de la misma
especie; esa transferencia de información de una célula o un organismo a sus des-
cendientes tiene su fundamento molecular precisaniente en la duplicación o replicación
de los ácidos desoxirribnnucleicos.
La replicación de los ADN de doble cadena es un proceso comple.jo que no está
conipletainente esclarecido. Esta complejidad se deriva de diferentes factores como
son: la estructura tridimensional de los ADN y su grado de superenrollamiento, la
especificidad de las proteínas replicativas, la necesidad de una fuente energética
y la
elevada fidelidad que requiere el proceso.
Las dificultades para su comprensión aumentan al no existir una forma única de replicación para todos los organismos que contienen ADN de doble cadena.
En este textose examinarán alguna características comunes a la replicación de los
ADN de doble hebra. Después se estudiará de forma más detallada cada aspecto del
proceso, se comenzará por los organismos procariontes y se concluye con los aspectos
conncidosdel pmceso en los organismeucariontes. Cada etapa se esiudiará de acuerdo
con los conncimientos actuales. El aspecto más desarrollado será el sistema replicativo de
la bacteria
E.
coli, por ser el mejor conucido de todos y porque a partir de lasinvestigacio-
nes en este organismo se han podido comprenden muchosde los mecanismos implicados,
y establecer los modelos, tanto teóricos como experimentales, para el esclarecimiento de
un fenómeno tan trascendental en los seres vivos.
Historia del problema
Unas
semanasdespués de dar a la publicidad el modelo molecular del ADN en 1953,
JamesD. Watson y Fm~cisH. Cndipmpu~ieron un modelo general para la mplicación, eJ

72. Fig. 25.1. Experiencia de Messelson y Stalh.
Esta experiencia demostró que al
menos
en la E
col¡ la replicación
tenia carácter semiconservativo.
(a) Se muestra cómo las bacterias
al
crecer en un medio can
"N, su
ADN, al ser centrifugado en
gradiente de CsCI, se agrupa en
una fina banda donde su densidad
corresponde con la del medio de
eentrifugación. Si
crecen en
''N
forman también
una
banda, pero
desplazada haeiael fonda del tubo,
pues
su densidad
es mayor. Si se
les hace crecer primero en ''N y se
pasan al medio con "N, sólo se
mantienen en ese media el tiempo
necesario
para un
ciclo replicativo,
aparece
una sola banda cuya den-
sidad
es intermedia entre las 2 an-
teriores, lo cual significa que ta-
das las moléculas tienen la misma
densidad
y esta sólo es posible si
cada una de ellas contiene una ban-
da
con
"N y otra can "N, que la
repltaeión es semiconservativa.
(b)
Se observa que el ADN de hac- terias quc crecieron en ''N y des-
pués fueron transferidas
a un me-
dio
con nitrógeno ligero forma una
sola banda, pero que al dejarlas
crecer después en un medio can
nitrógeno ligero en cada ciclo
replicativo,la bandaque representa
al ADN
hibrida se hace cada vez
mis tenua, en tanto la del ADN
con nitrógeno ligero se hace cada
vez más intensa.
cual consistía en que cada una de las cadenas de polidesoxinucleótidos servíademoldeo
pahón para la formación de unanuevacadena complementaria alaoriginal. Esta hipóte-
sis ofree'a 2 posibiüdades fundamentales: la conservativa, en la cual una vez sintetizadas
las nuevas cadenas,éstas se separaban del molde y se apareaban entre sídando lugar a una
nueva molécula de doble banda,
y la semiconservativa, en la que las nuevas moléculas estan'an formadas por unacadenadel molde y otra recién sintetizada.
En
1957,
MathewS. M&n y Franklin U! Stahldiseñamnuneleganteexperimen-
topara dilucidar cuál de las modalidades era la que realmente ocum'a en la naturaieza
EUos uolizaron cultivos de
E.
colidelos cuales extraían el ADN y locentrifugabanen un
gradiente de densidad de CsCI, observando que dicho ADN se concentraba en una
estrecha banda en el tubodela centrífuga, dondela densidad dela muestra coincidíacon
la del mediode centrifugauón; cultivaron entonceslas bacterias enun medio cuya
única
fuente de
nitrÓgenoeraNH,CI marcado con 15N; este Último no es radiactivo,pero símás
pesado que el isótopo habitual I4N. Al extraer el ADN y centrifugarlo, se obtenía igual-
mente una banda, pero localizada más hacia el fondo del tubo. Si las células se hacían
crecer en un medioligero (con "N) durante un tiempo prolongado, después se transferían
a un medio pesado (con '=N) y se dejaban el tiempo necesario para que ocurriera un solo
ciclo replicativo, seexhaía el ADN, secentrifugaba y seobtenía de nuevo unasola banda,
pero su localuación era intermediaentre
las 2 anteriores.
Estas resultados se interpretan
de la forma siguiente: si la replicación fuera conservativa al pasar al medio pesado, se
encontrarían 2 tipos demoléculas,lasligerasque sirvieron de molde y las pesadas recién
formadas.Alaparxer unasola banda,secompnieba qnesóloexisteunaespeeiemolecular
y,como su posición en el tubo dela centrífuga es intermedia entrela pesada y la ligera, se
concluye que está formada por una cadena pesada
y otra Ligera, o sea, la replicación es
semiconservativa
(Fig. 25.1).

73. Los intentos por llevar a cabo la replicación in vitro comienzan a tener sus
primeros éxitos cuando, en
1955,
Arthur Kornbergdescubre una enzima capaz de
formar polidesoxinucleótidos a la que llamó ADN polimerasa (hoy ADN polime-
rasa 1 o pol 1); después de múltiples esfuerzos infructuosos por utilizar sistemas de
células animales se decidió utilizar extractos libres de células de
E.
coli y, como
ADN a replicar, el del virus $X174; para ello se siguió el procedimiento siguiente:
el ADN molde se obtuvo del $X174 y se marcó con tritio, el isótopo radiactivo del
hidrógeno, el tritio serviría después continuamente como señal para identificar el
molde. Se ariadieron al molde junto con dATP, dTTP, dCTP y dGTP, la
ADN-polimerasa, ADN-ligasa (descubierta por aquel entonces) y NAD+. Uno de
los dNTP estaba marcado con fósforo radiactivo que serviría para identificar el
material sintético, al igual que el tritio para el molde. La interacción entre los
reactivos tuvo lugar hasta que el número de unidades nucleotídicas polimerizadas
fue exactamente igual al número de nucleótidos del molde, lo cual podía determi-
narse fácilmente comoarando la radiactividad del tritio en el molde con la del
fósforo en el material sintético. Varios medios físicos, incluidos el microscopio
electrónico, demostraron que la replicación había ocurrido de forma completa.
Experimentos posteriores pusieron de manifiesto el carácter infectivo del ADN
sintetizado in vitro, con lo cual se comprobaba que era igual al molde utilizado,
es decir, que tenían la misma estructura y función. Todo este trabajo se extendió
durante 14 años hasta que se pudieron anunciar los resultados. A partir de ese
momento comenzó, ya sobre bases firmes, el trabajo para desentrañar el mecanis-
mo de la replicación.
Aspectos generales
Toda la información genética contenida en el ADN reside en su secuencia de
bases, por lo tanto la función primordial de cualquier modo de replicación es duplicar
la secuencia de bases de la molécula progenitora. La
especiñcidad de los apareamientos
de bases -adenina con timina y citosina con guanina- provee el mecanismo usado por
todos los sistemas replicativos.
Otro aspecto común es que los nucleótidos son añadidos uno a uno al extremo
3 '
-0H de una cadena en crecimiento por enzimas llamadas ADN-polimerasas. La
secuencia de bases de cada una de las cadenas del ADN es copiada en forma
complementaria, así cuando en la hebra que sirve de molde aparece la timina, en la
hebra nueva se incorporará adenina y lo mismo sucede al aparecer cualquiera de las
bases.
En los ADN de doble hebra el proceso de replicación se produce copiándose
ambas cadenas de manera simultánea, por lo que las moléculas formadas conten-
drán una banda que proviene del ADN, que sirve de molde o patrón y una banda
neoformada. Como la molécula de ADN que se está copiando está formada por
2
bandas complementarias, y cada una de ellas sirve de molde para la síntesis de una
cadena nueva, resultará que gracias a este mecanismo las moléculas nuevas no
sólo serán iguales al molde en su secuencia de bases, sino que serán iguales entre
sí. De acuerdo con el mecanismo explicado, las moléculas de ADN de doble hebra
que se obtienen como resultado del proceso contienen una cadena del ADN que
sirvió de molde y una cadena nueva, lo que significa que durante la replicación se
conserva la mitad de la molécula original, por lo que se dice que este proceso es
semiconservativo (Fig. 25.2).
La reacción básica de la polimerización consiste en la adición de un
desoxinucleósido trifosfatado al extremo
3 '
-0H del desoxinucleútido precedente,
eon la liberación de pirofosfato, la cual conduce a la formación del enlace fosfodiéster;
esto quiere decir que la cadena
se va formando del extremo 5 '
-P al 3 ' -OH, luego el
crecimiento de la cadena es unidireccional.
Fig. 25.2. Carácter semiconservativo. El
modelo general de la replieaeiún
acorde con la experiencia dc
Mcsselson y Stahl consiste en que
una molécula duplohelicoidal de
ADN (a) se separa en sus 2 eadc-
nas y cada una dc ellas sirve dc
molde para la síntois de la cadena
complementaria. Cada molécula
nuera
íh) está formada por una
banda parental (en azul) y una
neoformada (en rojo). Luego to-
das ellas
san iguales
entre sí.

74. Fig. 25.3. Reacción de polimerización. To-
das las ADN polimerasas eatalizan
la misma reacción. Tomando coma
sustratas nucleósidos trifosfatados
(NTP), los unen mediante la far-
mación de
un enlace
fosfodiéster.
can liberación de P-P, cuya
hidrólisis impulsa la reacción ha-
cia la derecha. El ion MP* es im-
prescindible.
Esta reacción es muy reversible, pero el acoplamiento a la hidrólisis del pirofosfato
favorece el crecimiento de la cadena -la reacción global de polimerización (Fig. 25.3).
Las cadenas de las moléculas de ADN son antiparalelas (de polaridad opues-
ta); esta disposición es la que permite me,jor apareamiento de las bases. En el
- -
proceso de síntesis, las polimerasas se van desplazando sobre la cadena de ADN
en la dirección 3 ' -t 5 ' a la vez que forman la nueva cadena en sentido 5 ' + 3 ' ,
lo une significa uue el uroceso Dresenta también carácter antiuaralelo: esto hace
que la doble hebra que se va formando tenga ya una estructura en doble hélice como
las moléculas originales, lo cual le confiere una elevada estabilidad (Fig. 25.4).
En resumen, la replicación se produce por complementaridad de bases, añadidas
una a una en forma unidireccional
y antiparalela, tiene carácter semiconservativo y
está acoplada a la hidrólisis del pirofosfato.
Requerimientos de la replicaci6n
Para que la replicación tenga lugar hace falta un número considerable de molécn-
las, en especial de macromolécnlas, entre ellas se encuentran los 4 tipos de nucleósidos
trifosfaiados
v los 4 desoxinucleósidos trifosfaiados. así como iones divalentes.
esDe- . .
cialmente el Mg2+ que siempre acompaña a los nncleótidos en sus reacciones. El total
de proteínas que participa en la replicación es desconocido, pero se sabe que constitn-
ye un número considerable, entre ellas se encuentran las proteínas estabilizadoras del

76. Etapas de la repiicauón
El estudio de la replicación ha sido dividido de forma tradicional en 5 grandes
etapas, cuyo conocimiento no es uniforme, pues la complejidad de cada una es diferen-
te. La preiniciación consiste en el ensamblaje del sistema replicativo; la iniciación, en
la colocación adecuada del primer precursor: la elongación, en el crecimiento de la
cadena y la terminación, en el final del proceso, así como la posterminación se refiere
a modificaciones que experimenta la molécula recién formada hasta ser totalmente
funcional.
Estas mismas etapas, aunque con contenidos diferentes, serán consideradas en los
demás procesos -transcripción
y
traducción- relacionados con los mecanismos de
transferencia de la información genética y se resaltará la similitud formal que existe
entre ellos.
Como sucede casi siempre en la ciencia, los estudios experimentales sobre la
replicación comenzaron por los organismos más sencillos
y, a partir de
ellos,se esta-
blecieron no sólo los modelos teóricos, sino también los procedimientos experimentales
para los estudios en organismos más complejos.
Este estudio comenzó por los organismos procariontes y especialmente por los
virus que los infectan que, como utilizan una parte considerable del sistema replicativo
del hospedero, pueden considerarse, teniendo presente las diferencias de complejidad,
como una buena aproximación al estudio del proceso en las células bacterianas.
De todos los sistemas replicativos estudiados el mejor conocido es el de la bacte-
ria
E. coli, un procarionte, cuyo cromosoma contiene una molécula única de ADN
circular
dedoble hebra,de aproximadamente4x 106pb. Si se representa esa molécula
como un círculo en el cual se va señalando la localización relativa de los genes, se
obtiene el mapa genético de
E.
coli; este círculo ha sido dividido en 100 unidades
denominadas minutos. Siguiendo el símil con el reloj, el punto
O del mapa se corres-
ponde con las
12, el 25 con las 3, el 50 con las 6 y el 75 con las 9, de esta manera la
posición de un gen o una región del ADN queda definida por el minuto o los minutos
que le corresponden en el mapa. Para dilucidar el mecanismo replicativo se han utili-
zado tanto técnicas
bioquímicas,por ejemplo la extracción y purificación de los com-
ponentes del sistema, como procedimientos genéticos que consisten en la producción
de organismos mutantes,en loscuales se detecta la falta de algunos delos componen-
tes y se correlaciona con los defectos producidos en el proceso; esto hace que el
sistema replicativo sea estudiado con más detalle y que pueda servir de punto de
referencia para el estudio de los demás sistemas.
Es conveniente esclarecer la nomenclatura. En la genética de la
E. coli, los
genes
se designan por
3 letras minúsculas y, cuando hay varios relacionados, se añade una
letra mayúscula por orden
alfahético; los relacionados con el metabolismo del ADNse
nombran dnaA,dnaB,dnaC,etcétera. Por su parte, el productodel gen se escribecon
los mismos símbolos, pero con la inicial mayúscula; de esta forma DnaB es la proteína
productodel gen dnaB. Es costumbre utilizar las abreviaturas del nombre en inglés,
pues es el idioma preferido en las revistas científicas de circulación internacional. En
todos los casos se mencionará la palabra inglesa de donde proviene la abreviatura
empleada.

77. Origen de la replicaci6n
El ADN de la E. coli se presenta en la célula con determinado grado de
"empaquetamiento" y superenrollado de forma negativa. Para que la replicación pueda
producirse es necesario aumentar el grado de superenrollamiento negativo y además
producirla separación delas 2 cadenas, de forma quelas bases nitrogenadas queden
expuestas y puedan servir de molde o patrón para el ordenamiento de las bases
nitrogenadas de la cadena que debe sintetizarse.
En la
E. coli esto ocurre siempre en un punto fijo del ADN, que se conoce como
origen de la replicación,
oriC localizado en los 84 minutos del mapa genético. En el
ciclo celular bacteriano se llama Cal período de replicación del ADN, es aproximada-
mente de 40 minutos, y el tiempo necesario para la segregación del citoplasma y la
formación del septumllamado D es constante e igual a 20 minutos, después de terminar
la replicación del cromosoma. Por lo tanto, el ciclo vital de
E. colitiene una duración
aproximada de 60 minutos. Mucho se ha investigado sobre las características del ADN
en esta región; se ha llegado al convencimiento de que se trata de una secuencia de
bases específicas que sirve como señal
molecular para indicar dónde debe comenzar la
replicación.
Para localizar laseñal se tomaron fragmentos de ADN, seincorporaron aplásmidos
que se replican de forma autónoma y se insertaron en la zona donde habitualmente
comienza la replicación de plásmido. Si este ADN lograba replicarse, la secuencia
introducida funcionaba como señal de iniciación, de lo contrario se probaba con otra
secuencia. Por medio de estos estudios se ha podido determinar el origen mínimo de
replicación, o sea,la secuencia de ADN más corta que puede cumplir eficientemente
esa función. Se trata de una secuencia de 245 pb, muy conservada entre las
enterobacterias y que contiene
3 regiones características:
1. Cuatro copias de la secuencia
5' -TTAT(C/A)CA(C/A)C-3' ,2 en un sentido y otras
2 en sentido contrario en posiciones muy conservadas, designadas Rl a R4, que
sirven para la unión de DnaA.
2.hzonasde 13uucleótidos, cada una
rica en
pare AT (5 '-GATCTNTlWTTTC3' ),
se localizan a la izquierda de las anteriores y favorecen la desnaturalización local del
ADN. En lasecuenciaseñalada y en
todas de
aquíen adelante N representa acualquier
nucleótido.
3. Once copias de la secuencia 5
-GATC3', que es el sitio de reconocimiento de la
metilasa codificada por el gen dam. La Dam metilasa reconoce esta secuencia y
metila la citosina. Al parecer el grado de metilación es importante para la unión del
ADN a la membrana de la bacteria.
Eventos previos a la
iniciad611 (preiniciaci6n)
El primer evento es tener acceso al sitio oriC, lo cual se logra por la acción de las
topoisomerasas de tipo U, que por su modode actuar, como se muestra en la figura 25.5,
favorecen la formación de topoisómeros negativos que son los adecuados para la
repücación. La preiniciacibn consiste en la separación de las 2 cadenas en el oriC, de
Inanera que las proteínas replicativas puedan acceder a la secuencia de bases del ADN.
Como esta separación origina superenrollamientos positivos hacia a ambos lados
de oriC, son necesarias las topoisomerasas tipo 1 y tipo 11 para mantener el
superenrrollado negativo requerido para la replicación.
Los eventos queocurrenen oriC tienen
el orden siguiente: la proteína
DnaA se va
uniendo
a las secuencias de 9 nucleótidos
R1-R4 de forma cooperativa, y además,
favoreciendo interacciones entre ellas, de manera que al oriC pueden quedar unidas de
Compoaentes celulares y Genéticu md& 445

78. liig. 25.5. Acción de la topoisomfrasa 11. El
ADN circular de la
E.
col¡ existe
superenrollado negativamente
y es
la
topoisomerasa 11 la que se une
al AUN, y corta la molécula cn sus
2 bandas (a) luego cruza la banda
intacta por la abertura
y vuelve a
sellar
(b) haciendo cada vez el
topoisómero más negativo que es
la forma que favorece la
replieación. En la
figura se
rcpre-
sentan las 2 mitades de la molécu-
la
en
calores diferentes para difc-
rcneiar su recorrido.
Fig. 25.6. Formación de la horquilla de
replicaúón. Las regiones R1 a R4
sirven de sitio de unión a DnaA
que, con Is cooperación de HU y
el ATP, forman agregados que van
eurvando al AUN hasta que éste
queda enrollado a
su alrededor.
Esto
crca tensiones que
se alivian
cuando las 3 secuencias ricas en
pares AT se separan, originando pequefios sectores de
hebras sim-
ples. La
acción combinada del
compleja DnaBIDnaC y las SSB
estabilizan esta estructura en for-
ma
de
ojal sobre la cual sf forma-
rán las horquillas de replicaeión.
10 a 20 moléculas de DnaA. Este proceso requiere la hidrólisis del ATP y es muy
estimulado por la HU, una proteína parecida a las histonas,la cual provoca dobleces de
hasta
90" en el ADN y hace pensar que su función es cooperar con DnaA en el plega-
mientodel ADN. De
esta forma. el ADN se enrolla alrededor del
multímero de DnaA
provocando la separación de las
2 cadenas en la zona de 13
nucleótidos ricos en AT
que se abren de manera secuencial, primero, la más cercana a R1 y después las otras. En
esas condiciones DnaA guía la translocación hacia la zona abierta de un complejo
formado por DnaB y DnaC, formando el llamado complejo de preiniciación.
En presencia de la ADN girasa (topoisomerasa 11) y de SSB,la DnaB que posee
actividad de helicasa
5
' 33 ' procede a alargar la abertura del ADN, para lo cual
requiere la hidrólisis del ATP, de estamanera queda formada una estructura en forma
de burbuja u ojal, donde las hebras están recubiertas por SSB. Los extremos del ojal
forman las horquillas de replicación
y
obviamenteson 2; en cada una delas horquillas
se produce la replicación y, como en la medida que avanza el proceso ellas se van
separando, la replicación toma carácter bidireccional (Fig. 25.6).
Dna A + HU
Dna B: Dna C
+ ATP
DnaB DnaC
+ ATP

79. En resumen, la preiniciación consiste en la separación de las 2 hebras del ADN en
oriC, para formar
2 horquillas de
replicación. Para su formación son necesarias las
proteínas DnaA, DnaB, DnaC, HU, ADN @rasa y SSB, así como la hidrólisis del ATP.
Iniciauón
Pdiahacerp~lahorq31aeswcesaiwotro~pode pmteúiasAlquedarsepaiwi;s
las 2 hebras del ADN quedaexpuestauna secuencia deunos 70 nuclebodos,denom¡nadasitio
deensamblajedel Uii&doroPAS@~earsambly~~).ElsiooPASsmnocidoporla
proteína PriA, quese une a él y permite la unión posterior dePriB; entoncesse une DnaT y
pmmuevehaciaeesitio latranslocaaóndeun~mplejo~nstituidoporDnaB:DnaC:PnC El
complejo de 6 protanas formado se mueve sobre el ADN en las 2 direcciones gracias a la
actividad de helifasa 5 ' 73 ' de DnaB y la 3 ' +S ' de%.
En lugares específicos el complejo reconoce alguna serial y a él se une la DnaG que
tiene actividad iniciadora y forma polirribonncleótidos de aproximadamente
10 unida-
des de largo, el
ARN iniciador. La acción iniciadora deDnaG dependede la presencia de
DnaB; esta acciGn c-mhinada de iniciadoras
y
helicasas esuntemaque se repite en todos,
o casi todos los sistemas replicativos estudiados. Al conjunto de todas estas proteínas,
incluyendo a DnaG se le denomina complejo iniciador (Fig. 25.7).
~ -.. . -9As
5'
3'
3' III IIIIIII 5'
1 PAS
Pri A. Pñ B: Dna t
5'
3' 5'
O Pri C: Dna B: Dna C
1lIIWIIIIIIlIIIIl1I
IIII11IIIIIIlI~lllII 5'
t &/+SD Dna
5' n
IIIIIIIIIY-I/RWIIIIIlll
3' lllllll IIIIIIIII
5'
-+
NTP
Fig. 25.7. Formación del corpúsculo iniciador. Al pmgresar la abertura del ojal se descubre el PAS al
cual se unen en forma sucesiva PriA, PriB y DnaT, y estos a su vez promueven la incarpa-
polimerasa iniciadora y se forma el ARN iniciador.

80. Fig. 25.8. Inrorpuraeión de la ADN
polinicrasa 111 al ADN preiniciado
y formación del rcplisoma. El hi-
brido ADNlARN iniciador cs re-
conocido por cl compleja y y el
complejo r . El complejo y pro-
mueve la incorporación del anillo
deslizante
que forma la subunidad B, para la cual requiere la hidrólisis
del ATP. Después el núrlco de la
polimerasa del
que
sólo sc repre-
renta la subunidad a desplaza al
complejo
y; de esta forma la polimerasa se desliia por cl hioride
hasta encontrar el extrema 3'-OH
del ARN iniciador, al cual roniien-
la a añadir los desoxinucleótidos
complementarias
a las de la
hibra
molde.
En estas circunstancias se une al sistema la holoenzima de la ADN polimerasa
111
en un proceso dependientede ATP. La enzima utiliza el C3 ' -0H de los ARN iniciado-
res para alargarlos, por la sucesiva adición de desoxinucleótidos uno a uno según la
secuencia de las hases nitrogenadas del ADN molde. Este complejo proteínico recibe
cl noinhre de replisoma.
La ADN polimerasa 111 de E. colies una enzima muy compleja formada por al
incnos 10 suhunidadcs diferentes. Cada célula contiene de
10 a 20 copias de la Iioloeii~iina. por lo cual. para purificar
1 mg se deben utilizar de 2 a 3 kg de células. I'ma dcscriliir sil organización se emplean diferentes niveles de ensamblaje. El más
sciicillo es cl núcleo de la poliinerasa formado por las subunidades a, E, 8; la subunidad
tx posw actividad de polinicrasa, en tanto, la E es una exonucleasa 3 ' 4 ' que parti-
cipa en el ineranis~node edición descritoal final del capítulo, y la subunidad R estinw-
1. .i 1. .I . dctividad . de la c. 111 segundo nivel de organización llamado Pol III'contieni ?
iiúrlcos y un díincii~ de r. Para la forniación del nivel siguiente, llamado PolllI':: sc
riqiiieri~ 121 incorporaii6~1 del roniplejo y que está formado por las subunidades y, 6,s , ,
x 9 VI. por lo tanto, en la formación del Pol III* intervienen 14 polipéptidos
reprewnitados en la fórmula subunitaria c(~E~~,TJ,~~ ' xyr. La holoenzima se completa
roii la adición de la subunidad P.
I3h general la "procesividad" de la polimerasa se incrementa en la medida que se
incorporan las subunidades al núcleo, pero tanto la procesividad como su alta veloci-
dad tienen un requerimiento ahsoluto de la subunidad P; esto se debe a la forma en que
la poliinerasa se ensambla sobre el ADN. Una vez formado el ARN iniciador,el comple-
jo
y se asocia al
Iiíhrido ADN ) ARN y promueve la incorporación de la subunidad 8;
esta proteína está formada realmente por 2 subunidades que presentan una forma circu-
lar hueca. El complejo
y produce la abertura del anillo que después se cierra con el
híbrido ADN ARN en su interior. Este proceso requiere ATP
y es el únicomomento
que la ADN polimerasa
111 necesita ATPpara funcionar. La estructura particular de la
subunidad P le permite deslizarse sobre el ADN de doble hebra hasta localizar en una
de ellas un extremo
3
' -0H. En cualquier momento, el núcleo de la polimerasa despla-
za al complejo y y se une al anillo deslizante formado por la subunidad 8; al núcleo se
incorporan sucesivamente el restode lassubunidades. La importancia de que el com-
plejo Pol 111* contenga
2 copias del núcleo
(a&@) se verá inmediatamente cuando se
trate la elongación. La incorporación de la ADN polimerasa 111 al ADN preiniciado se
muestra en la figura
25.8.

81. Resumiendo, el hecho clave de la iniciación es la formación del ARN iniciador
realizado por la DnaG; para que eso ocurra se requiere la participación de varias proteí-
nas (PriA,PriB,PriC, DnaB,DnaC y DnaT) que forman el complejo iniciador. Con la
incorporación de la ADN polimerasa ID y la formación del replisoma puede darse por
terminada la fase de iniciación.
La elongación comprende la serie secuencia1 de eventos que iniplican el alarga-
miento de las cadenas del ADN
y donde interviene otro grupo de proteínas
eiizimáticas.
Es bueno destacar la diferencia entre 2 aspectos que pueden confundirse. Al tratar
los aspectos generales se señaló que el crecimiento de las cadenas nuevas (hijas) es
unidireccional, porque las enzimas provocan el crecimiento de la cadena del extremo
5 ' al 3 ' . Sin embargo, la replicación en las 2 cadenas cs hidireccional. II sea. la
burbuja de replicación se mueve en las
2 direcciones a partir del punto de
origcii.
llegandoa formarse, en la medida que el proceso transcurre, 2 horquillas que se mue-
ven en direcciones opuestas sobre la doble banda del ADN; por eso se veri lo que
ocurre en una horquilla, pues igual sucede en la otra.
Una vez incorporado el primer desoxinucleótido, la pol 111 -utilizando la suhuiiidad
para deslizarse- continúa incorporando uno a uno los desoxinucleótidos siguientcs.
cuyas bases son complementarias a la queocupa el lugar correspondiente en el ADU:
luego se trata de un proceso repetitivo. En la otra hebra, la horquilla se mueve en
dirección contraria a la síntesis, o sea, en dirección
3
' +5 ' .Como la ADN polimcr;i;i
111 sólo sintetiza en dirección 5 ' -13 ' , el movimiento de la horquilla detendríii su
funcionamiento, pero se sabe que esto no ocurre asi; en esta banda la síntesis sr pindu-
cepor fragmentos, a los cuales se les conoce como fragmentos de Okasaki. en Iiont~r ;I
su descubridor el japonés Reiji Okasaki.
La holoenzimadela ADN polimerasaIIIcontiene2 copias del míileo. por eso IIII:I
sola holoenzima es capazdesintetizar las 2 hebras de ADN de forma simiiltáiira: para
ello la hebra conducida forma un lazo alrededor de la holoenzima. de iiiaiirra que
cambia ladirección de la hebra,
y permite que la enzima pueda alargar las
1 hebras al
mismo tiempo (Fig. 25.9).
Cada cierto tramode la molécula del ADN se forma un nuevosegmento de ARN
iniciador, que permite un nuevo crecimiento. En el proceso de la replicación del
cromosoma de
E.
mliseforman entre 2 000 y 4 000de estos fragmentos mn una longitud
de
1 a 2 kb. La ADN
polimerasa ID es capazde incorporar unos 1000 desoxinucleótidos
por segundo, de ahíquelasíntesis deun fragmentode Okasaki demora de
1 a 2 segundos.
Cuando la pol
U1 encuentra un híbrido ADN I ARN no puede continuar incorporando
nucleótidos. Simultáneo
al desplazamiento de la ADN polimerasa
111, el complejo y es
capazde ensamblar anillos deslizantes de lassubunidades fi por delantede la horqui-
lla, y hacia ese anillo se transfiere el núcleo de la polimerasa cuando el movimiento de
la enzima cesa ai encontrar el híbrido ADN I ARN.
Este procesose va
repitiendoconstantemente en una de las cadenas, por lo
quese
dice que lasíntesis es discontinua. En la otra banda, sin embargo, lasíntesis progresa
sin interrupciones, puesse realiza en favor del movimiento dela horquilla,por lo que
en ella la síntesis es continua; de ahí se describe la replicación como un proceso que
es al mismo tiempo continuo
y discontinuo -algunos autores lo llaman
semidiscon-
tinuo-, esta característicadel proceso se ilustra en la figura 25.10.
Como resultado del proceso descrito, una de las hebras del ADN se encuentra casi
completamente replicada, en tanto la otra hebra presenta como productos de la
replicación fragmentos que contienen ARN iniciador hacia el extremo
5 '
; entonces
interviene otra enzima, la ADN polimerasa
1. Esta enzima, además de la actividad
polimerasa, posee actividad de exonucleasa
5
' +3 ' para ADN de doble cadena o
híbridos ADN ARN; debido a esta actividad, ella va eliminando uno a uno 10s
Fig. 25.9. Acción de la ADN polimerasa 111
diirante la ~longariún. Durante la
fase de elongatián la ADN palimc-
rasa Ill forma un tomplejaderom-
posici6n asiiii61rica sohre las 2 hc-
bras del ADU. En rada una de las
hehras c\istr rl niidea unido a la
suhiinidad /j ipc Ii da la nioiili-
dad nrccsari;i. l.** dciiiissuhunida-
des SP agrupan iiiár Iixis la Iiehra
rondiiit<ira: esta cstrurlura hace
que el ADU hrnic un gran lazo
alrededor de la polimerasa de
for-
ma
que las 2 hrhras del ADN, al
entrar el1 coniacto con la super&
rir de Id eiiriina. queden ton una
orientarWn 5, -> 3.y de esta far.
ma la pf~lililcrnra 111 es capaz de
sintetirar dc nirnera simultánea la
hehra riinductora > la conducida.
Componentes celulares y Genética mwlecular 449

83. Para sellar esas mellas se requiere la ADN ligasa, que cataliza la formación del
enlace fosfodiéster y sella la brecha que existía en el
ADN
(Fig. 25.12).
Fig. 25.12. Acción de la ADN ligasa. Utilizand<i romo cofaitor el NAD', la ADN ligasa de la E. col¡
une nudeótidos contiguas mediante la formación de un enlace fosfodiéster, con lo cual los
frapientos formados en la banda conducida se unen unas ion otros y se forma una banda
continua. -- m----
La ADN polimerasa 1 es una enzima más sencilla que la pol 111, pues se trata de
una cadena polipeptidica única de
109
kD; además de las actividades menciona-
das también posee actividad esonucleasa 3, -5 ', cuya importancia se verá más
adelante. En su movimiento sobre el
ADN es capaz de provocar el
desenrollamiento.
La
ADN ligasa es también una enzima sencilla, formada por una sola cadena
polipeptídica de
77
kD y fue descubierta en 1966 en 5 laboratorios simultánea-
mente. Para la unión de 2 oligodesosinucleótidos se requiere que estén formando
parte de una doble cadena de
ADN. La formación del enlace fosfodiéster entre los
fragmentos necesita de una fuente de energía que en la
E.
colila proporciona el
NAD' (Fig. 25.13).
Como las 2 horquillas se mueven en dirección opuesta, la cadena que se
sintetiza de manera continua (en favor del movimiento de la horquilla) no es la
misma en cada horquilla y recibe el nombre de banda conductora, en tanto, la que
se sintetiza discontinuamente recibe el nombre de banda conducida.
En la
E.
colise conoce además otra enzima, la ADN polimerasa 11, cuya función
parece estar más bien relacionada con los mecanismos de reparación del
ADN, pues
algunos
mutantes que carecen de ella no presentan alteraciones en la replicación. El
movimiento de las horquillas se favorece por la acción de las helicasas, y las torsiones
que
se
generan se alivian por la topoisomerasa 1 (Fig. 25.14).
En resumen, la nota más sobresaliente de la elongación es la actividad de la
ADN polimerasa 111 que añade uno a uno los desoxinucleótidos en una hebra
dirigida por la secuencia de la hebra contraria; de esta forma el proceso transcurre
rápidamente. Este alargamiento se produce de manera diferente en cada una de las
2 hebras, para la fibra conductora sólo hace falta la participación de la pol 111; la
otra se alarga discontinuamente y requiere la participación del comple,jo ¡ni-
ciador, la pol 111, la pol 1 y la ADN ligasa. En la E. coli se utiliza N.AD* como
fuente de energía para la acción de las ligasas.
3. Mecanismo de acción de la ADN
ligas.. La reacción ocurre en va-
rias etapas. I,a enzima reacciona
con el NAD' y forma un complejo
intermediario E:AMP. En un pasa
posterior la transferencia del gru-
po adenilato activa el extremo
5 '-P, ron lo cual se facilita la for-
macibn del enlaec fosfodiéster.
La
ligasa y el AMP
seseparan del ADN
y la molécula queda hrmada intc-
grarnente.

84. Fig. 25.14. Función de la topoisomerasa 1
en la elongación. (a) E1 desplaza-
miento de la Iielicasa va creando
zonas de tensión por delante de la
horquilla que dificultan
su avan-
ce.
1.a topoisomerasa 1 relaja esas
tensiones y facilita el proceso. (b)
Esquema del mccanisma de la
topoisomerasa 1 que consta de 2
pasos: Iro. corte de una banda del
ADN que queda unido a la enzima
y Zdo., paso de la otra banda por
la brecha
y cierre del corte.
Terminación
La terminación de un
ADN circular puede imaginarse como un proceso relativa-
mente sencillo. Al unirse las
2 horquillas que venían moviéndose en dirección
opues-
ta,seforma una sola, pero en realidad estoseventos no son bien conocidos y se estima
que deben ser muy diferentes en los ADN lineales y circulares.
En la
E.
coli, la terminación ocurre en una zona denominada terC que está locali-
zada a unos
180" de
oriC. Es una región larga,de aproximadamente 350 kb,flanqueada
a ambos lados por los sitios de terminación terA, terB, terC y terD. Los terA y terB
inhiben el desplazamiento de la horquilla de replicación que se mueve en dirección
contraria a las agujas del reloj, en tanto, los terB y terC tienen el mismo efecto sobre la
otra horquilla.
Se ha identificado que el producto del gen tus se une con elevada afinidad a los
sitios ter e inhibe la replicación. Tus es una proteína de
36
kD, que se une al surco
mayor del ADN en los sitios ter, de modo que su efecto presenta el fenómeno de la
polaridad, es decir, inbibe el movimiento de una horquillaquesemueve en unsentido,
pero no la que se mueve en sentido contrario. A pesar de estos datos aún faltamucho
por aclarar en cuanto a terminación de la replicación.
Al terminar la replicación, las cadenas circulares quedan entrelazadas una
con otra y se requiere un niecanismo llamado descatenarización, en el que inter-
viene la topoisomerasa 11 para separarlas. El mecanismo de esta transformación es
similar al estudiado para las topoisomerasa 11, con la diferencia de que en este
caso es cortada una de las moléculas,
y por la brecha que se origina se hace pasar
la otra molécula
(Fig. 25.15).

85. w~elnpxnmu quouema ua h saluouema
souis!ue8~o uqqu! anb 'su+ ua so~gm!ldal seuiag!s ap u?pmqsuWal el u03 sop
-qlnsai saio@~ sns u?!quq op!ual eq quouema ua u?pmgda~ el ap qpnlsa 13
.aluauilep~ed opauape~e~ h opepp ueq as o~geqda~ euials!s pp saluauoduio~
SO[ ap soye~ wpezuem souaui equanma as oiad 'saluoue~aid ap la u02 eaup[nui!s
elaueui ap asopugpuesap op! eq saluo.ieJna ua uypeqda~ el ap o!pnlsa 13
'mma9 e awnh L (q) emvaqe el md epaloui ew el essd ñ sui!zua sl e sep!un uepanb
anb (e) sepueq sns ua ep>?loui sun 8vaJ [en> ay emd 'J~~~JJ!J N(IV un ~p u<>!~e~![da.'
el ap leug IB sopeuixq so;sua;e> sol axqap 11 ssa~auias!odaa el wp!xz!mwexa<l 'SI'SZ 3!d

86. La velocidad de movimiento de una horquilla de replicación en E. colies de
10 000 pares de bases por minuto. Las polimerasas de eucariontes son mucho menos
activas y tienen una velocidad que vana entre
500 y 5 000
paresde bases por minuto
según la enzima. Como una célula animal típica contiene aproximadamente una can-
tidad de ADN que es
50 veces mayor que el de la bacteria, el tiempo de replicación del
ADN eucarionte sería unas
1 000 veces mayor que el de E. coli, esto es unos 30 días;
Sin
embargo, la replicación sólo demora unas pocas horas.
Los cromosomas de eucariontes utilizan múltiples puntos como orígenes de la
replicación
y ésta es bidireccional. Se han
caiculado hasta 5 000 sitios de iniciación en
un mismo cromosoma, cada uno separado por unos
30 000 pares de bases. En los
huevos fecundados se han calculado hasta
50 000 sitios de iniciación, con lo que la
duración de la replicación es de
nnos pocos minutos. Sin embargo, todos estos oríge-
nes no se activan simultáneamente, más bien existe un programa de activación, pues
nnos puntos comienzan la replicación al inicio de la fase S, otros en un momento
intermedio y otros
al final
(Fig. 25.16).
Fig. 25.16. Horquillas múltiples en los eueariontes. La replicaeión en eueariontes se produce con la
formación de numerosas horquillas
que al
crecer bidireeeionalmente se encuentran unas
con &ras y se fusionan, con lo cual se aumenta considerablemente la velocidad del procesa.
Pera como se muestra no todos los sitias de iniciación se activan simultáneamente.
El enorme número de horquillas es un reflejo del número de polimerasas.
Mientras la
E. coli contiene de 10 a 20 moléculas por célula, los eucariontes
contienen de
20 000 a 60 000 moléculas de la polimerasa a que es la principal.
La estructura
nncleosómica del ADN eucarionte debe disociarse del complejo
ADN-proteína y reformarse con las moléculas neoformadas. Se ha comprobado que
esto sucede simultáneamente con la replicación del ADN. Las histonas sólo se sinteti-
zan durante el período S, de ahí que es más correcto referirse a la replicación del
cromosoma que a la del
ADN.
Por último, se
debe recordar que las células de los animales superiores, como el
hombre, contienen una dohle dotación de genes (son diploides)
y cuando se produce
la duplicación de los cromosomas contendrá
4 copias de
genes homólogos (tetraploides);
esto significa que el número de copias de un mismo gen es variable durante el ciclo
celular,en G1 es doble, durante el períodos la información se duplica y, por lo tanto,
es cuádruple durante todo el período
G2. En el período M la información se divide en
2 y van a parar a cada una de
las células hijas, que reinician su ciclo celular con una
dotación doble de la información genética.
454
L-Bmím

87. Replicaaón en eucariontes pluriceluiares
Del estudio de los sistemas simples se ha partido para reconstruir el proceso en
eucariontes complejos. En estos estudios se han podido caracterizar varios genes im-
plicados en el proceso y se ha emprendido la purificación de muchas proteínas
replicativas; entre las especies estudiadas se encuentran numerosas líneas humanas.
Para no hacer extensa la descripción del proceso en los organismos eucariontes, ésta se
hará tomando como referencia el sistema replicativo de la
E. Coli, que ya
fue estndia-
do, pues en líneas generales los procesos se asemejan mucho. Sólo se insistirá en las
diferencias y en las homologías funcionales, estructurales o ambas entre los compo-
nentes de uno
y otrosistemas replicativos.
El origen de la replicación en eucariontes es más complejo
y su estructura defini-
tiva no ha sido dilucidada por completo; contiene secuencias funcionalmente
homólogas al de
E. coli, pero tamhién motivos estructurales específicos como algunos
que sirven de sitios de unión para factores de transcripción. La unión de proteínas
específicas produce también el desenrollamiento local de la doble hehra del ADN en
sitios que
sirven para alojar proteínas que formarán el complejo de preiniciación,cnya
estructura no está del todo conocida.
El origen de replicación es reconocido por un grupo de
6 proteínas de pesos
moleculares variables,
que forman el llamado complejo de reconocimiento del origen,
ORC (origin recognition complex). Se ha encontrado que existe una gran similitud en
la secuencia de aminoácidos de estas proteínas, en especies tan diferentes como la
Drosophila y el hombre, lo cual indica que realizan funciones similares en todos los
organismos.
La proteína estabilizadora del ADN de hebra simple (SSB) recibe el nombre de
proteína replicativa A (RP-A de replication protein) que se presenta en forma de
heterotrímeros, los que estabilizan las zonas monofihrilares en la horquilla de
replicación.
Se conocen
2 ADN
ligasas cuya principal diferencia con la de los procarionteses
que utilizan ATP en vez de NAD' como cofactor. También han sido caracterizadas
varias helicasas. Los
2 tipos de topoisomerasas se han ohtenidode diferentes
orgauis-
mos eucariontes; las de tipo 1 se encuentran localizadas en zonas de intensa transcrip-
ción, principalmente en el nucléolo, y la tipo 11 ha sido identificada como la principal
proteína que participa en la organización molecular de los cromosomas, presenta aso-
ciada una actividad de proteína quinasa cuya significación es desconocida.
Existen al menos
5 ADN polimerasas: la
cc que es la principal y presenta asociada
una actividad de iniciadora; la p, es la más pequeña de todas las ADN polimerasas
conocidas, aparece sólo en animales superiores y parece estar implicada en los meca-
nismos de reparación; la
y que sólo aparece en las mitocondrias; la 6 resulta
una
proteína grande y es la única donde
se ha descrito actividad de3 '
-0H exonucleasa; y
la q que está relacionada con los mecanismos de reparación.
El ensamblaje del replisoma ocurre de forma similar al proceso en la
E.
coli, pero
presenta algunas diferencias importantes. En los eucariontes participan
2 ADN
polimerasas, la
a que produce la iniciación de las dos hebras y la 6 que funciona en la
elongación. El homólogo de la subunidad
p es una proteína denominada antígeno
nuclear de células pruliferantes (PCNA de pmlifeií1tingceUnudearmOgen), un trúnero
que forma el anillo deslizante que proporciona el movimiento del replisoma. La
translocación del PCNA hacia la horquilla de replicación se realiza por una proteína
formada por
5 subunidades, que se denomina factor de replicación C
(RF-C de
replication factor) y, por lo tanto, es el homólogo funcional del complejo
y. Una vez
formado el replisoma, el proceso de la replicación ocurre de forma similar
al de E. coli,
sólo que en cada cromosoma existen numerosos orígenes de replicación, por lo cual
cada replisoma tiene que sintetizar pequeños sectores de ADN. Aun en el caso de la
hehra conducida, la longitud de los fragmentos de
Okasaki es menor y se calcula entre
150 y 200
nucleótidos, que es el tamaño que se corresponde con la estructura de un

88. nucleosoma. La dificultad principal que no se presenta en la E. coiies la replicación de
los telómeros, que será descrita en el acápitesiguiente.
Replicacióo de los telómem
Unode los grandes problemasquepresenta la replicación de un ADN nocircular, es
la replicación de los extremos, que en los cromosomas recibe el nombre de telómeros.
Desde el punto de
vista
ehvctural estos extremos se caracterizan por presentar pequeñas
secuencias dedesoxinucleótidos,repetidas muchas veces, y la hebrade dirección 5 ' -3 '
posee un segmento final monofibrilar de 12 a 16 nucleótidos. La dificultad estriba en el
hechodeque unadelas 2 hebras no puede replicarsecompletamente por losmecanismos
conocidos
y esoimplica la pérdida progresiva de material
genético a partir de los extre-
mos. Hace unos pocos años fue descubierta
y purificada una enzima que
cataüza la
formación de los telómeros, por ello se le dio el nombre de telomerasa;
tal vez
lo más
interesante, en la forma de actuar de esta enzima, es que emplea como cofactor una
molécula de
ARN, al cual utiliza como molde para añadir
deso~ucleótidos a los extre-
mos teloméricos. Como los telómeros presentan secuencias repetidas, el ARN puede
aparea~mn~artedeesaseeuen&,~ lapartenoapareadasirvedemoldealatelumerasa
para alargarla hebra de ADN. Una vez terminado el alargamiento, la enzima se desplaza,
produce un nuevo alargamiento
y asísucesivamente hasta que el
númerode repeticiones
seael característico de laespecie. El mecanismodesíntesis dela hebra complementaria no
está esclarecido (Fig. 25.17).
A = Unión de la telomerasa
..........
..........
5' C-C-A-A-T-C-C-C
B = Palimenzaci6n t
.........
Fig. 25.17. Acción de Is telomerasa. La sin-
G.G.G.T.T.A~;. .';~::
..........
tesis de las telámeros se lleva a cabo 5' cy]
por acción de la telomerasa en un
proceso que puede ser dividido en
3 etapas. (A) La enzima se une al
extrema del telómero, utilizando
C
= Translocalización .c
..........
el mecanismo de apareamiento de
G-G-G-T-T-A . .',-:~
..........
bases entre su ARN y el ADN 5' <yr
Ielamérieo. (B) Utilizando coma
molde
su ARN la enzima alarga el
extremo
3
' de la hebra del ADN.
(C) Una vez alargado el Ielómero
D = polimenración ..........
la enzima se separa y vuelve a unir-
4
G-G-G-T-T-A ,~L.~,~ ~ ~ ~
.......... se al nuevo extremo y (D) comien- 5' C-C-C-A-A-T-C
ra un nuevo cielo de polimeri-
zarión.
Esiudios recientes uarecen demostrar aue la longitud de los telómeros está rela- -
cionada con la posibiüdad de división de la célula, de modo que mientras más corto es
el telómero, menor es la potencialidad proliferativa de la célula; esto ha hecho que la
telomerasa se convierta en un posible blanco para el tratamiento del cáncer.
Fidelidad del
proceso
La replicación del ADN ocurre una sola vez durante el ciclo de vida de la
célula, de ahí la necesidad de que el proceso se realice con una elevada fidelidad
456
-ua*le*

89. de copia, que las moléculas hijas contengan exactamente la misma secuencia de
bases nitrogenadas que la molécula paterna. En estudios con bacterias que se
reproducen rápidamente y que permiten estudiar en corto tiempo varias genera-
ciones de células, se ha calculado que en la replicación se comete un error, o sea,
se incorpora una base errónea por cada mil a cien mil millones de bases incor-
poradas (loy a 10"). Si el genoma de la
E.
coliposee aproximadamente 4 x 10"b,
la posibilidad de error es menor que una base incorrecta por ciclo replicativo.
Ninguno de los mecanismos conocidos por sí solos son capaces de explicarlo,
pero la acción conjunta de todos ellos puede crear un efecto potencializador, es
decir, todos juntos provocan una fidelidad mucho mayor que la suma de todos
ellos por separado. Algunos de estos mecanismos se comentarán a continuación y
se hará énfasis en varios de ellos.
El primer factor de fidelidad es la elevada especificidad del apareamiento de
bases formando los pares adenina-timina y citosina-guanina. El otro es la elevada
especificidad de las polimerasas, las cuales sólo incorporan los desoxinucleótidos
que forman pares complementarios al ADN que se está copiando.
Otro factor que contribuye a la fidelidad es la utilización de un ARN inicia-
dor, ya que como éste es eliminado y reemplazado por el segmento de ADN corres-
pondiente, estas zonas son rectificadas siempre. De usarse un segmento de ADN
como iniciador, estas zonas no se leerían de nuevo y cualquier error en ellas se
podría mantener.
Existe, además, un mecanismo de rectificación. A pesar de todo lo anterior,
cuando se incorpora una base errónea entra a funcionar el mecanismo denomina-
do de edición.
La base incorrecta no forma pares de bases tan estables como la
correcta y esa zona del ADN se debilita; esto hace que en ocasiones los
desoxinucleótidos añadidos posteriormente no se unan bien a la banda complemen-
taria, lo que sirve como señal a la ADN polimerasa
111, que con su actividad
exonucleasa
3
' 4 ' comienza a eliminar los nucleótidos mal apareados. Cuando
llega a una zona donde el pareamiento es correcto detiene su acción y entonces la
polimerasa 111 continúa alargando la cadena de forma adecuada. En este mecanis-
mo también pueden intervenir endonucleasas que producen la hidrólisis del enla-
ce fosfodiéster próximo a las bases mal apareadas, haciéndolo siempre en la cade-
na neoformada, pues ésta no tiene aún el patrón de metilación característico, y
con ello se diferencia de la cadena que sirve de molde o patrón. Todos estos
mecanismos contribuyeii a que los errores de copia sean mínimos y el proceso
transcurra con una elevada fidelidad.
Inhibidores de la replicación
Existe un numeroso grupo de sustancias, de las cuales muchas de ellas son
antihióticos. que actúan como inhibidores de la replicación y cuyo empleo ha
contrihuido a dar la ! isión actual sobre el proceso. Atendiendo asu mecanismode
acción se clasifican en
2 grupos: los que actúan sohre el ADN molde y los que
actúan
sohre las proteína5 replicativas.
Al primer grupo pertenecen los colorantes de acridina, la actinomicina D y el
etidio, que se intercala11 entre las bases y dificultan la separación de las cadenas;
la netropsina ! la clistaiiiicina .A. que se unen fuertemente a zonas ricas en pares
A-T; y la bleuiiiicina ! iieiicarzinostatina, que producen roturas de los enlaces
entre los carhonos 3 ' ' 4 ' de la desoxirribosa.
Al segundo grupo pertenecen la afidicolina, que inhihe la ADN polimerasa
alfa; y la novohiociiia ! el árido iialidíxico. que actúan sobre la topoisomerasa 11.

90. Un importante grupo de inhibidores lo constituyen los 2'- 3'
didesoxirribonucleósidos trifosfatados, que se han empleado para determinar la se-
cuencia de bases de los
ADN; sólo
actúan in vitro, ya que los nucleósidos trifosfatados
no atraviesan la membrana celular (Fig. 25.18).
o o
II
CH3, ,!
CH - CH
CH:
NCH3 CH, N - CH3
/ /
o=c c\= o
,
/CH,
CH, -N

c=n
I
/- -
,,CH,- CH HC-CH, I
O=C CH2

CH-CH
NH
/
Fig. 25.18. lnhihidores de la replicación.
/
HN

CH3
O=C
En la figura se muestra la estructu- /C = O
ra de la aelinoniirina D que está
CH -- CH
1 F- CH
compuesta por un anillo triple de
CH,
NH '. NH 1
fenoxazona y 2 polipéptidas cícli- : ~ CH3
cos laterales. Al interactuar ron el
. .
ADN el anillo de fenoxazana se
intercala entre 2 pares de bases
Actinomicina D
(preferiblemente GC) y los pép- . ... . , ,
,, (, ," . , ,.?, ,
tidos interactúan con lai zonas ve-
cinas fortaleciendo la unión entre ,.: , ..
' .,
las 2 bandas. La? proteínas repli-
eativas al llegar al sitio donde está
la actinomieina D no pueden se-
parar las bandas del ADN y se de-
tiene el movimiento de la horqui- N-C
Ila. La novobioiina y el árido 0x0- 1 1
niliea par su parte san inhibidores
OH H O 1
de las topaisomcrasas y su acción
C=O
1
CH2
dificulta la replieaeión. NH, Navobiocina Ácido oxolínico LH3
A manera de conclusiones
Hasta aquise han desarrollado los aspectos más sobresalientes deunode los más
importantes procesosde la niateria viva. Coniose vio al inicio,se planteaban unasene
de problemas importantes para su realización, problenias clip complejidad hacían
prever respuestas coniplejas
y así ha resultado.
Pero cabría preguntarse
;por qué resulta tan complejo este proceso? ¿No existen
mecanismos más simples e igtiahiiente probables para un proceso de esta naturaleza?
;.Por qué se requiere un iiúniero taii elevado de enziiiias. con tan elevados grados de
coniplejidad estructural
y
fiuicional'>
Por supuesto. que estas respuestas no las tiene nadie. Cuando se analiza un meca-
iiisniu de este tipo súlo podemos decir las ventajas que representa con respecto a otro
alternati! o. sin llegar a saber por qué los organismos con estas características han sido
seleccionados de manera evolutiva sobre otros: esa es la base del razonamiento que
harenios a contiiiuacibii.
La replicaciuii se produce sólo una \ez durante la vida de la célula,por lo cual
errores que se cometan durante el proceso pueden acarrear consecuencias trascenden-

91. tes para el organismo y para la especie. Según parece, ésta es la razón primaria del
elevado grado de complejidad, lo que está apoyado, además, por el hecho de que en la
medida que aumenta la longitud del ADN en las células es mayor el grado de com-
plejidad del proceso
y mayor el número de factores proteínicos
especif~cos involucrados.
El elevado grado de precisión que requiere la transferencia de información, de
generación en generación, con un elevado grado de fidelidad, obliga a la complejidad
del proceso molecnlar que constituye su fundamento final.
Resumen
La
trasmisión de la información genética de un organirmio a sus descendientes
constituye el fenómeno
más importante de
ia materia viva, y aunque adquiere
diferentes formas de acuerdo con el tipo de organismo, su fundamento
fii es el
mecanismo de
replicauón del ADN. Toda la información genética está codiñcada
en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN, y el apareamiento específico de
ellas es el mecanismo básico utilizado en todos los sistemas replicativos. La
replicaaón tiene un carácter reiterativo, pues los desoxinucleótidos son añadidos
por el mismo mecanismo al extremo de una cadena en crreimiento, procede por
complementaridad, acoplada a la hidróhis del pirofosfato y de forma antipara-
lela y semiconservativa.
La replicación
más
senciua es la de los virus de los proeariontes, cuyo estudio
ha permitido esclarecer algunos de los mecanismos moleculares involucrados en el
proceso. En la replicación del ADN de
la E.
cofi participan numerosas enzimas
como las topoisomerasas, helieasas, polimerasas, ligasas, eícétera, así como otras
muchas proteínas de carácter no enzimático, pero cuya participación es indispen-
sable en el proceso. Para su estudio,
este proceso se ha dividido en 5 etapas. La
preioiciación ocurre en un sitio específico, denominado origen y
en él las
topoisomeras~s U aumentan el superenmliamiento negativo, las helicasas separan
las
2 cadenas y las SSB
estabilizan esta estructura que se denomina horquilla de
iniciación. En
la iniciación un conjunto de proteínas
forman el wmplejo iniciador
que mediante la hidróiisis del ATP, como fuente de energ'a, localiza una secuencia
espeúñca y sintetiza un oligorribonucieótido complementario al ADN denomina-
do ARN iniciador, el cual aporta el ppo 3 ' -0H necesario para la incorporación
del primer desodrribonude6tido por la ADN- polimerasa Iii. La elongación ocu-
rre de forma diferente en las
2 hebras. En la banda wnductnra el proceso es conti-
nuo y con la sola participación de la ADN-polimerasa
Iii. En la banda conducida el
proceso es discooünuo y resulta necesaria la formación de muchos ARN iniciado-
res en la medida que crece el tamaño de la horquilla. La ADN polimerasa JH añade
los desoxinucleótidos hasta encontrar un ARN iniaador. Los ARN iniciadores son
eliminados por la ADN polimerasa 1 que, además, Llena con desoxinucleótidos los
sitios ocupados anteriormente por el ARN. La ADN ligasa une los fragmentos for-
mados dando integridad a la cadena neoformada. El movimiento de
la horquilla es
facilitado por la acción combinada de las helicasas, las topoisomerasas 1 y las SSB.
La terminación constituye la etapa menos conocida; existe un sitio específico para
la terminación, al cual se unen proteínas que provocan la terminación de la
replicación. En los ADN circulares
se forman catenatos para cuya separación es
neceaia la acción de las topoisomerasas U. Posterior a la tenninarión ocurre la
modiñcación que consiste en
la
meolación de bases específicas, con lo cual se pro-
tege al ADN de la acción hidrolítica de
las
enzimas de restricción. Todo el proceso
presenta una elevada fidelidad de copia que viene
dada, entre otros factores, por la
precisión del apareamiento de
bases, la espedfíddad de
las polimerasas, la
eW-
nación del ARN iniciador y el mecanismo de reetiñcación.
El estudio de la replicación en eucariontes está aún en sus primeros pasos,
debido a la compleja estmctura de los cromosomas y a la dificultad para la obteo-

92. ción de grandes cantidades de mutantes que permitan seguir una estrategia similar
a la uaüzada en procnriontes. No obstante, los estudios reaüzedos en virus y leva-
duras
han dado sus
primeros frutos. A partir de esos estudios, y con la identificación
de genes y caracterización de proteínas involucradas en la replieación, es posible
en
estos momentos tener una representación bastante aproximada del
proceso en
los organismos superiores, aunque aún quedan muchos detalles importantes por
esclarecer.
Numerasos son los antibióticos cuya acción espeeíñea consiste en actuar como
inhibidores de la replieación, los cuales, además del beneficio que han reportado a
la lucba contra
las
enfermedades infecciosas, han sido de ine&ble valor para el
estudio del complejo proceso de la replicación del ADN.
Los resultados obtenidos experimentalmente en diferentes sistemas replicativos
permiten intentar una descripción generalizada del proceso, que tendrá
su expre-
sión
partinilar en cada organismo dado. La repiicación comienza en sitios especi-
fim del ADN, denominados orígenes de repiicación, que contienen secuencias de
bases nitrogenadas que sirven para la unión de proteínas espefíficas. La unión
de
estas proteínas producen el desenrollamiento
local de la doble hebra del ADN, que
por acción de otras proteínas es agrandado. Un sistema enzimático específico for-
ma el ARN iniciador, que será alargado por el replisoma que contieue,almenos,las
actividades de ADN polimerasa y de exonucleasa 3 ' -1 5 ' y que funciona en el
mecanismo de edición. Una de las hebras se forma de manera conünua, en tanto, la
otra se sintetiza por fragmentos que luego son unidos por Laacciónde ADN ligasas.
Todo
el proceso se caracteriza por la elevada velocidad de
poümerización, la alta
prwesividad y la extraordinaria fidelidad de copia.
Ejercicios
1. Demuestre que en el proceso de replicación se cumplen los principios siguientes:
a) De los cambios graduales.
b) De acoplamiento.
c) De transferencia de información.
2. Teniendo en cuenta las características de su acción explique por qué es necesario
que en la preiniciación intervenga la topoisomerasa II y durante la elongación la
topoisomerasa 1.
3. ;Por qué algunos autores afirman que la replicación es un procesosemidiscontinuo?
4. cuál es la justificación molecular de la necesidad de formar el ARN iniciador?
5. ;Puedeun mutante de la E. colique carezca de Iielicasas realizar la replicación de
manera eficiente?
6.
¿Cuál esladifereiiciafuiiciot~al durantela replicación entre la ADN polimerasa 1 y
la ADN polimerasa III?
7. Para poder aislar con facilidad los fragmentos de Okasaki se prefiere utilizar bacte-
rias mutantes que son deficientes en la actividad dela ADN ligasa. ;Por qué cree
usted que sea asi?
8. Teniendo en cuenta las características funcionales de todas las ADN polimerasas
conocidas. plantee un modelo que pueda explicar cómo es posible la replicación
de una ~iiolécula lineal (no circular) de ADN.
Y. Para investigar si
existía un sitio para la terminaciónenelcromosomacircular de la
E. coli se realizó el experimento siguiente: el ADN fue cortado y se extrajo un
fragmento de gran tamaño, después los
2 extremos fueron unidos y se estudió el
proceso de replicación, tomando muestras
seriadas y analizándolas por
autorradiografía. Deduzca cuáles deben ser los resultados esperados:
a) Si en efecto existe un sitio parala terminación.
bi Si el sitio de terminación no existe.

93. En todos los organismos celulares el material genético está constituido por ADN
de doble banda; aun cuando su estructura general es muy similar y eitá compuesto por
las mismas bases nitrogenadas
(A,
T, C, C) existen notables diferencias entre las
organizaciones particulares de los genomas en procanantes y eucariontes.
Una primera diferencia reside en el contenido de ADNde los diferentes organismos.
Una bacteria típica como la
E.
coli posee un material genético equivalente a 4 x 10"
bases. En un insecto como la Drosophiln nielu~~ogaster es de 1.6 x 10' y en los inamí-
feros, de 4.8 x 10".
En segundo lugar, en los procariontes el ADN ocupa un lugar central en la célula.
sin que exista una separación física entre él y el resto del organismo. En las células
eucariontes el material genético (ADN) se encuentra separado físicamente del resto de
la célula por una envoltura constituida de una doble membrana (capítulo
23).
Pero tal vez la diferencia
más sobresaliente radica en la forma caractei-ktica que
está organizado el material genético en los eucariontes. Como muclias de esas
particularidades influyen notablemente en los mecanismos de expresión de la
información genética y su regulación, se estudiarán primero las particularidades
fundamentales de la orgaiiización del genoma en los organismos eucariontes.
En las células de eucariontes el
ADN total se
encuentrd dividido en un número
variable de moléculas, caractei-ístico de cada e5pecie. y forinando con proteínas.
estructuras muy complejas denominadas cn~musornas: el riúiiiero y la forma de los
cromosomas son típicos de cada especie.
En un organismo existen
2 tipos
fu~idanientales de células en cudnlo al iiúiiiero de
cromosomas que contienen: las soináticas y las sexuales. Las primeras contienen el
doble de croinosoinas que las segundas. por eso se dice que aquéllas son diploides y
éstas ÚItimas. haploides. En las células soináticas los cromosornas se presentati por
pares homólogos. los
2 miembros de la
pai-eja son equivalentes, por lo que contienen
una dotación genética doble con resprcio a la5 sexuales.
El ADN que forma parte de lo cromosomas es una sola molécula. que al parecer
está en forma lineal
y
iio circular. A todo su la]-go está asociado con proteínas que son
fundameiitnlineiite Iiistoiias. aunque existen otras no muy bien caracterizadas que
;unto con In historias determinan las foi-mas organizativas peculiares de los

94. Fig. 26.1. Loealizaciún de algunos genes
en cromosomas humanos. (a) Se
representa la localización de
algu-
nas
genes del cromosoma 11 eomo
son algunos protaoncogenea
(POG), las cadenas de las globinas
P (HBE),y(HBGZ y HBGI), 6(HBD)
y p (HBB); paratohormona (PTH),
fosfatasa ácida 2 (ACPZ), lactato
deshidrogenasa A (LDHA), genes
de las cateminas (CPSC). de las
de la colagenasa (CLGN) (b) La
localización de algunos genes eu-
yas alteraciones producen enfer-
medades eomo la deficiencia de
inlerlerón (DIF), galactoseiiiia
(GLM), porfiria hepática aguda
(PHA)
y anemias
heniolíticas por
deficiencia de la adenilato quinasa
(AHAK), todos localizados
en el cromosoma 9.
cromosomas. Como se vio en el capítulo 23, el grado de "empaquetamiento" del
complejo ADN proteínas varía durante el ciclo celular,
y las estructuras más compactas -los cromosomas propiamente dichos- existen sólo durante el período de división
celular. Durante la interfase esta estructura se hace mucho menos compacta
y se presenta
en forma de cromatina. Como la mayoría de los estudios relacionados con la
organización del genoma ha tomado como punto de referencia los cromosomas, en
este texto se utilizará este término para referirse a estos complejos ADN proteínas, sin
tener en cuenta su grado de "empaquetamiento". Cada cromosoma contiene un número
característico de
genes ordenados de forma lineal a lo largo de su estructura. Por
procedimientos múltiples se ha podido conocer la localización de numerosos genes en
los cromosomas humanos (Fig. 26.1). Durante la maduración de las células sexuales
(gametogénesis) se produce la reducción del número de cromosomas,
y cada gameto
maduro (óvulo
y espermatozoide) contiene solamente una sola copia de cada par de
cromosoma, por lo tanto en las células sexuales cada gen está representado sólo una
vez, a diferencia de las células somáticas que por ser
diploides tienen una representación
doble de cada gen
3 GLM
CPSC
AHAK
Aun cuando existen numerosos enfoques para tratar este problema, y de cada uno de
ellos puede derivar una concepción distinta de gen, de acuerdo con las características de
éste que más se pretenda destacar
y como consecuencia de la profundización de los
conocimientos sobre la naturaleza del gen, para los objetivos de este capítulo se utilizará
la definición más empleada en la actualidad. Se da el nombre de gen a uno o varios
sectores de una molécula de ADN, que contiene en su secuencia de bases nitrogenadas la
información
necesaiia para llevar a cabo la síntesis de una cadena poliniicleotídica espe-
cifica. Este ADN puede codificar la síntesis de todos los tipos de ARN, especialmente los
ribosomales, los de transferencia y el mensajero. En este último caso, la secuencia de bases
es traducida en secuencia de aminoácidos durante la traducción.
Al conjunto de todos los genes contenidos en una célula se le da el nombre de
genoma. Las secuencias, que pueden ser exactamente iguales en ambos cromosomas o
diferir en algo. siguen originando en esencia el mismo producto, aunque con pequetas
diferencias, esto hace que en una población puedan existir numerosas formas del
mismo gen. Uno de los ejemplos más sobresalientes en seres humanos es el gen
que codifica la cadena !J de la hemoglobina, este gen está localizado en el
cromosoma 1 I y de él se han reportado más de 200 formas que difieren por lo
general en el cambio de alguna base nitrogenada que, aunque en muchos casos
determina cambios en la secuencia aminoacídica de la proteína, sigue siendo
esencialmente la B-globina (tabla 26.1).

95. Tabla 26.1. Diferentes tipos de alelos en la cadena /I de la hemoglobina
Tipo Defecto molecular Fenotipo
Hb S Cambia en P6 glu-val Sicklemia
Hb C Cambia en P6 glu-lis
Hb
E Cambia en P26 glu-lis
Hb M e,,\, ,,,,
Cambiaen P53 his-tir Meta Hb
Hh M S"*A,,%<"7"
Cambia en P63 his-tir Meta Hb
Al conjunto de formas alternativas del mismo gen que pueden ocupar el mismo sitio
en el cromosoma (locus) se le da el nombre de alelos. Pueden existir numerosas formas
alélicas del mismo gen, pero una célula diploide sólo puede contener
2 como
máximo,
una en cada uno de los cromosomas homólogos. Si el par está representado por genes
idénticos, y por tanto sus productos son indistinguibles, el organismo es homocigótico
para esa pareja, pero si se trata de formas alélicas, entonces es heterocigótico. Es muy
difícil encontrar algunas células u organismos pluricelulares que no sean Iieterocigóticos
para uno u otro par de genes; esta diferencia en la estmctura de los genes se refleja en su
producto, o sea, en la proteína y su función. Se utiliza el término de genes de tipo silvestre
para referirse al gen que supuestamente consewa su formaoriginal, a sus formas alternativas
se les denomina mutantes. por cuanto es la mutación el mecanismo fundamental en la
formación de los alelos. En ocasiones algunos de los alelos mutantes codifican un producto
que no es funcional. Suponga que existe un gen
"A" que es de tipo silvestre y su mutante
"a" que da un producto anormal, incapaz de realizar cualquier función. Existen
3
combinaciones posibles para esta pareja de
genes (Fig. 26.2):
1. Los 2 genes son de tipo silvestre, por lo que el organismo es homocigótico (AA) y
todo el producto génico es normal.
2. Un gen es de tipo silvestre y el otro es mutante (Aa), el organismo es heterocigótico
y sólo contiene aproximadamente la mitad del producto génico normal.
3. Los
2
genes son mutantes (aa), el organismo es homocigótico, por lo que todo el
producto génico es anormal. Si ese producto realiza una función importante para la
vida,
la célula en esas condiciones no sobrevivirá o lo hará en condiciones precarias.
El conjunto de
genes presente en una célula constituye el genoma, pero el par de
ellos que determina u11 carácter particular recibe el nombre de genotipo. La
manifestación externa del ge~iotipo recibe el nombre de fenotipo; éste puede definirse
desde muchos puntos de vista, desde la posibilidad de inetabolirar una sustancia o
reconocer una señal química, hasta los rasgos más externos del organismo como el
Fig, 26.2. Posibles combinaciones de alelos.
Pueden existir numerosos alelas de
un mismo gen,
pcro en un orga-
nismo dado sólo pueden haber 2,
uno por cada cromosoma. Si se
representa en azul el gen de tipo
silvestre
que es
dominante y en
rojo el mutante reeesivo, podemos
encontrar
3
eambinaeioiiea: (a)
Los 2 genes san tipo silvestre y el
organisiiio es homoeigótieo domi-
ziante. (h) Un gen es tipo silvestre
y el otro mutado, ari como el or-
ganismo cs heteroeigótieo. (c) Los
2 genes son mutantés y el organis-
mo
es homocigótico
reeeslvo. De-
pendiendo de las raraderístieas del
producto génico el heteracigólim
pucdc manifestar
o no
un fenntipo
anormab
Componentes celulares y Cienetica molecuiar 463
L,

96. Fig. 26.3. Determinación genética de los
grupos sanguineos ABO.
Los eritroeitas poseen un polisacárido
unida
a
lípidos o proteínas de sus
membranas, éste posee carácter
antigénieo y está formado como
se muestra en IP figura por gluco-
sa (Glu), galaefora (Gal), furnsa
(Fue) y N-acetilglucosamina
(NAGlu), y es denominado antíge-
no O. El gen A codifica la enzima
A
que
añade al polisacáridoun resto
de N-aeetilgalactosamina (NAGal)
y lo convierte en el antigeno A.
Por su parte el gen B codifica la
enzima B
que añade al
nntígeno O
un resta de galactosa y lo ronvier-
te
en el
antigeno B. Si la persona
pasee los
2
genes poseerá también
las 2 enzimas y aproximadamente
la mitad de
sus
anlígenos serán A y
la otra mitad será B, por lo que ella
será del grupo AB. De no poseer
ninguna de estas genes, entonces
será del grupo O.
color de los ojos, la forma de las extremidades. etcétera. Los caracteres acostumbran a
clasificarse en dominantes o recesivos, de acuerdo con los patrones de trasmisión
génica. En ocasiones se comete el error de hablar de genes dominantes y recesivos,
pero en realidad estos términos sólo se refieren al carácter determinado por el genotipo.
Estos conceptos son relativos
y contrarios, o sea, la existencia de uno determina la
existencia del otro. En un inicio se
decía que el carácter era dominante cuando siempre
se expresaba en el fenotipo, mientras que el recesivo sólo lo hacía si estaba en estado
homocigótico; aquí se concebía el fenotipo como las características más externas del
organismo. En la medida que se han ido perfeccionando el conocimiento sobre la
expresión de los genes y los procedimientos que permiten localizar y cuantificar el
producto génico, la concepción del fenotipo y con ella la del carácter recesivo se han
modificado; es de esperar que con las nuevas técnicas introducidas que permiten
detallar la estructura del gen, la diferencia esencial inicial entre estos
2 conceptos
tienda a desaparecer. La distinción entre caracteres dominantes y recesivos es muy
importante en la práctica médica, pues hay enfermedades que se trasmiten como un
carácter dominante
y otras como recesivo, todo lo cual el médico debe tener muy
presente para hacer los asesoramientos genéticos del paciente y de la familia.
Un ejemplo permitirá esclarecer los conceptos definidos hasta el momento. Para
los grupos sanguíneos ABO existen básicamente
3
alelos. El grupo sanguíneo A es
dominante y está determinado por el alelo A. Nótese que aquí el fenotipo no es algo
externo, pues por la sola observación del sujeto no es posible determinar su grupo
sanguíneo. El grupo sanguíneo B es también dominante y lo determina el alelo B. El
grupo O tiene carácter recesivo
y se origina por el
alelo O. Una persona con la
combinación génica AA será del gmpo sanguíneo A, en tanto la del genotipo BB será
del B. Las combinaciones genotípicas A0 y BO originan fenotipos
A y B,
respectivamente. El
genotipo 00 corresponde al grupo sanguíneo 0. Ahora bien,
como
A y B son dominantes, la persona que tenga un
genotipo AB expresará amhos
genes por igual y será del gmpo sanguíneo AB. Cuando
2
genes que determinan el
mismo caricter se expresan de igual forma en el fenotipo, se dice que los caracteres son
codominantes.
Esto tiene su explicación molecular. Las sustancias que determinan el grupo
sanguíneo ABO son pequeños heteropolisacáridos que forman parte de la membrana
de los eritrocitos. Como se muestra en la figura
26.3, los sujetos del grupo sanguineo O
tienen en sus eritrocitos el polisacándo mostrado en (a). El gen A codifica una enzima
que añade la
N- acetil-galactosamina al extremo del polisacárido, cambiando su
especificidad reaccional; en tanto el gen B codifica la enzima que añade galactosa,
otorgando una especificidad diferente. En los sujetos AA 6 A0 la estructura resultante
será como se muestra en (b). en los BB
ó BO es como en (c). En los 00 es como en
(a).
mientras que en los AB se encontrarán como en (b) y (c) aproximadamente a partes
iguales.

97. Genes y ADN
De acuerdo con numerosos estudios el ADN contenido en una célula diploide
Ii~iinana es aproximadamente 7,3 x 10" g. Si el peso molecular promedio de un
par de iiucleótidos es de 1,025 x 10~" g se deduce que la célula diploide humana contiene
alrededor de (7,3 x 10~"/1,025 x 1W) 7,l x 1 O9 pares de bases por genoma diploide, ó
3,s x 10' por geiioma haploide.
Si todo este ADN codificara proteínas de aproximadamente 500 aminoácidos
cada una, podría producirse más de un millón de ellas. Como para cada aminoácido se
requieren 3 bases harán falta (500 x
3)
1 500 pares de bases. A partir del genoma total
serían (3.5 x lO''I1,S x 10') 2,3 x 10"proteínas.
Por varios métodos genéticos se ha determinado que la célula humana contiene
aproximadamente de 70OX a 100000genes. Si se mantienen los mismos "supuestos" anteriores,
pan la codificación de 100 000 proteínas senm necesarkai [(7 x 109 x (3 x IW)] 2,l x 10* pares
de bases, lo cual representa [(2,1 x 107)1(3 x 10') aproximadamente 1071, es decir, que
sólo aproximadamente el 10 %del ADN contiene información para la síntesis de
riioléculas específicas (proteínas. ARNr y ARNt). De aquí se deduce que la mayor parte
del ADN está implicada en los mecanismos de regulación de la expresión genética o en
otras funciones aún desconocidas.
Si se aísla el ADN de una bacteria y se cona mediante emiiiias en unos 500 a 1 000
fragmentos
y se
centrifiigaii en un gradiente de densidad de CsCI. se observan que se
reúnen en una zona única
y
estrecha (Fig. 26.4).
Esto se debe a que la densidad del ADN es proporcional a su contenido en G + C
y la composición promedio de cada fragmento, que contiene varios cientos de bases,
no varía mucho de uno a otro. Si se aplica el mismo procedimiento al ADN de un
mamífero se obtienen 2 zonas, la mayor con una composición aproximada de A
+ T del
60 %,pero
la menor con más del
90
P/a de A + T. lo cual constituye un hecho inusual. Al
ADN contenido en esta zona se le denomina ADN satélite, &te ha sido observado en
muchos organismos
y en el ser humano constituye del
0.5 al 1 lo (10' pares de bases)
del genoma.
Una característica importante del ADN satélite es lade estar formado por secuencias
repetidas organizadas en tándem, una a continuación de la otra. Estas secuencias
generalmente son cortas, de
5 a 10 bases, pem pueden llegar a tener de
100 a 200 bases.
Las secuencias características de la
D.
mrlarioguster son las siguientes:
Se ha podido determinar la localización de este ADN satélite, para ello se procedió
de la forma siguiente: se tomaron muestras de ADN satélite
y a partir de
él se fonnó
ARN niarcado con YHJ-undina. Se fijaron células cultivadas sobre un portaobjetos
y se
trataron con
álcalis para desnaturalizar el ADN. Con este tratamiento el croinosoma
queda pr8cticarnente intacto. Se añadió el [M-ARN y se dio tiempo suficiente para
permitir la hibridación. Se lavó la preparación para eliminar el exceso de reactivo y se
sometió a un proceso de autorradiografía. Al revelar la placa se encontró que el ADN
satélite se localizaba fiindameiitaliiieiite en los centrómeros y con menor frecuencia en
los telomeros; se Iia pensado que esté relacionado con la fijación del hubo durante la
división celular, pero esto no ha sido comprobado. No debe confundirse al ADN satélite
con los satélites descritos en la estructura de algunos cromosomas, pues aliuque la
palabra puede tener en ambos casos la misma connotación (una estructura asociada
con otra) se refiere en cada caso a conceptos diferentes.
-
1.683
Densidad
Fig. 26.4. Dcteecián del ADN satélite. Si el
ADN de
los
procarionles se corta
con nurleasas espeeífiras cn un
grupo reducida de fragmentos de
gran tamatio y después se
centrifugan en gradiente de densi-
dad, estos fragmentos sc agrupan
en una zona estrecha del tubo de
centr¡fugaciÚn donde la densidad
de ellos
sea igual a la
del medie. El
ADN de eurariontes. al scr somc-
tido al misma procedimiento,
se concentra en 2 zonas de densidad
diferente.
La de
menor densidad
corresponde al ADN satélite.
Componentes celulares y &netica molecular 465

98. Fig. 26.5. Curva Cal. Si se desnaturaliza el
ADN de la E. col¡ (azul) y se sigue
el
proceso de
renaturalizaeión, se
obtiene una lima continua corno
corresponde a una sola especie
moleeular. El ADN de marniferos
(rojo) presenta varias curvaturas,
lo cual indica que éste se compor-
ta
de forma
heterogénea. Una frac-
ción (1) presenta una reasociación
rápida y otra (4) es lenta, a la vez
que se observan otras 2 (2 y 3)
aue iiresentan una velocidad de
Estos hallazgos impulsaron a realizar el estudio más a fondo acerca de las
características de los ADN de eucariontes. Un procedimiento que ha dado muchos
resultados es el estudio de la cinética del proceso de renaturalización. Para ello se
extrae el ADN de un organismo y sin fraccionarlo se desnaturaliza. después se coloca
en condiciones que permiten la renaturalización, siguiendo el proceso en función de la
concentración inicial de ADN (Co) y el tiempo (t). Cuando esto se hace con el ADN de
la
E. coli se obtiene una curva típica que se muestra en la figura 26.5 (a); se interpreta
como si el proceso ocurriera por la presencia de una sola especie molecular. Cuando se
hace con ADN de mamíferos se obtiene una curva que aparece en la figura
26.5.
(b),
. . -
que presenta varias mesetas como si en el proceso intervinieran más de una especie
molecular, una de renaturalización rápida, otras intermedias y otra lenta; esto se debe
a la existencia de secuencias con mayor o menor grado de repetitividad.
. .
reasociación intermedia; esto sip- 90
nifica que el ADN de marniferos
'. .
se comporta coma si ealuviera for- 100
mado por 4 especies moleeularei. 10 l. I2 10~1 1 , ,O2 I$ 16 ,/6 IU?
Cot(M.5 )
El análisis detallado de estas curvas y el uso de otros métodos complementarios
permiten distinguir4 tipos de secuencias en el ADN de eucaiontes: las altamente repetidas,
que aparecen por varios cientos o millones de copias y se corresponden con las de
renaturalización rápida; las medianamente repetidas, que se presentan en un número de
copias que va de 10 a varios cientos; las moderadamente repetidas con un número de
copias de
2 a 10 y junto con las anteriores representan la fracción de velocidad intermedia
de renaturalización; por último, las secuencias de copia única que son las de menor
velocidad de renaturalización. En forma de copia única se encuentra la
mayoría de los
genes de lacélula, pero en realidadconstituye la menor fiacción del ADNcelular. Ejemplos
de secuencias moderadamente repetidas son los genes de las histonas y de los ARNt. En
algunos casos estas secuencias no son exactamente repetidas y los productos génicos
presentan pequeñas diferencias en su composición. Las secuencias medianamentr repetidas
en general no son codificantes y se cree que tengan alguna función reguladora. Las
altamente repetidas incluyen al ADN satélite
y algunos
genes, como los que codifican los
precursores de los ARNr, para los que se han calculado que existen unas
24
000 copias
para el de
5 S y unas 500 copias para el precursor de los otros 3 tipos.
Estructura del gen
Una vez analizadas las características generales de los ADN de eucariontes, es
conveniente detenerse a examinar la estructura interna del gen. Como ya se señaló, un
gen está constituido por uno o más segmentos específicos del ADN, cuya secuencia de
bases contiene la información necesaria para la síntesis de moléculas específicas, o sea,
proteínas, ARNt y ARNr.
Si se compara la longitud de algunos genes de eucariontes con la de sus productos
se observa que éste es generalmente mucho menor que aquél. Así, de acuerdo con la

99. longitud de su gen, la cadena P de la hemoglobina debía poseer unos 500 aminoácidos
cuando en realidad sólo contiene 146 aminoácidos.
Hechos como éste comenzaron a ponerse de manifiesto a mediados de la década
de los años 60
y despertaron un vivo interés. Después de múltiples esfuerzos se ha
podido comprobar que los
genes eucariontes no son continuos, sino que se encuentran
interrumpidos por secuencias de nucleótidos que no codifican para la proteína dada;
por lo tanto la caractenstica general del genoma de poseer zonas codificantes
y no
codificantes se repite a pequeña escala en la estructura misma del gen.
Así cada gen
está constituido por un número de secuencias codificantes que alternan con secuencias
no codificantes. Las primeras reciben el nombre de exones (e.rit, salida, alude al hecho
de que estas secuencias una vez transcritas abandonan el núcleo)
y las segundas, el de
intrones
(inside, dentro, pues una vez transcntas quedan dentro del núcleo). El número
de exones es variable para los diferentes genes; el de las globinas presenta
3 exones, las
cadenas pesadas de las inmunoglobulinas
5, la ovoalbúmina 8, la
conalbúmina 18 y la
cadena a del colágeno 53 (tabla 26.2).
mbla262. Características estructurales de algunos genes humanos
Pmteína Residuos Cromosomas Gen@b) Exones
Colágeno
Inl
lo00 17 18 000 51
Factor Mn 2 332 X 186 O00 26
Receptor de LDL 839 19 45 000 18
La secuencia de bases así como la longitud de los intrones no parecen presentar
regularidad alguna, pero suelen ser mayores que los exones. La única regularidad que
ha sido observada es una pequeña secuencia que se encuentra al inicio
y al final de
cada
intrón, pues todos los conocidos comienzan por
GT y terminan con AG; esto
puede comprobarse en la figura 26.6, donde se muestran los resultados de un estudio
de la secuencia de las uniones entre intrones
y exones en
más de 100 genes.
Ex6n Intrón Exón
( O O 86---------------- 5 130 0 1
; ;; 16 81 10 o 3 .--............. 84 ; l;i 123 28 ~ig. 26.6. características de 10s intrmes.
La figura representa la secuencia
de
bases
nitrogenadar alrededor
16 10
139 0 41 .... ~ ........... 1 67 32 de las uniones exón-intrón y la
intrún-exón. así como demueslra
Total
anali~ado)~ 139 ---( 1
130 -1
la cio constancia y del par del AG par en el GT final. en el ini-
Componentes celulares y Gen6tica molecular 467

100. Fig. 26.7. Estructura generalizada de un gen
cucarionle. Si leemos el gen de iz-
quierda a derecha, lo primero que
encontramos es la regiún del pro-
matar, can sur secuencias regula-
doras especialmente TATA
en la
rana de -30.
El sitio para el Cap
corresponde al primer nucleútido
que será transerito y ocupará el
extremo 5 ' -P del ARNni. El
triplete ATG señala el sitio donde
debe
comenzar la traducción. Lue-
go
ovones e intrones se alternan
de acuerdo
can el gen específico
de
que
w trak. Después del Último
aún ap-e una zona que contiene
lasffuenOaMTAAA,queindiaq~e
unay 20 bases más adelante está el
sitio donde debe incoiporaise la cala
de
poli A. El punto
exaclo de la ter-
minación
no ha
sido tobimente es-
clarecido.
Todo parece indicar que la fragmentación de los genes no es al azar. Son muchos
los ejemplos que demuestran que cada exón codifica para una zona específica de la
proteína con características estructurales
y funcionales muy definidas, o sea, un dominio.
Esto ha hecho pensar que los intrones pudieran haber tenido una importante función
en la evolución, que favorece el intercambio de segmentos génicos al formar nuevos
arreglos que darían lugar a proteínas diferentes, a partir de bloques de otras proteínas.
La presencia de los intrones hace más flexible al genoma de los eucariontes, lo cual
aceleraría el proceso evolutivo. Por otra parte, estos exones pueden arreglarse de forma
diferente, al ser
transcriios en su ARNm
o durante el procesamiento de estos últimos,
dando lugar a la formación de
proteínas diferentes a partir del mismo segmento de
ADN. Una vez más se trata de conceptos relativos, pues en muchos casos los intrones
de un gen representan otros genes. Así en el gen NFI, cuya alteración produce una
enfermedad llamada neurotihromatosis 1, presenta un intrón de gran tamaño en el cual
están ubicados otros
3
genes.
Por ultimo, es bueno señalar que no toda la secuencia de bases que aparece en los
exones se traduce en secuencias específicas de aminoácidos. Hacia el extremo
5' aparece
una secuencia de bases. cuya función está relacionadacon la iniciación de la traducción
y facilita la incorpornción del ARNm al ribosoma. Otra secuencia aparece hacia el
extremo
3' y está relacionada con el mecanismo de terminación. En esta
zona existe
una señal que indica el lugar doiide debe producirse la modificación del extremo
3' del
ARNm.
coiiocida como sitio de poliadenilación y que se estudiará con más detalles en
el capítulo siguiente (Fig. 26.7).
Unidad de Transcripción A
Por su parte, los procariontes tienen generalmente su ADN formando una sola
cadena, cuya asociación con proteínas no resulta tan regular como en los eucanontes.
Casi siempre contienen sus genes en copia única y éstos no presentan secuencias
intercaladas. Cuando en algunos casos los genes pueden ser mayores que su producto,
las adiciones se encuentran hacia los entremos, de manera que la secuencia codificadora
es casi siempre continua.
" Promotor
I
En procariontes,los genes cuyos productos están relacionados funcionalmente se
organizan en operones (capítulo
34) y son
transcntos en un ARNm policistrónico, que
contiene información para más de una cadena polipeptidica. Todo el sistema se controla
por medio de una secuencia específica de bases -el operador- y puede activarse o
desactivarse regulando el funcionamiento de éste.
Esto no sucede en eucariontes. Muchos genes eucariontes funcionalmente
relacionados pueden formar gmpos (cluster) denominados familias génicas. La actividad
de los miembros de la familia es habitualmente (pero no siempre) regulada de forma
coordinada.
-30
TATA
ATG
Exón 1 uih.611 1

101. OS I oz I OZI OZ 1

102. ontogenético del organismo. El ejemplo mejor conocido es el de los genes de la
hemoglobina. Esta proteína es un tetrámero formado por
2
subunidades de tipo a
y 2 de tipo p. Hay varias formas de estas subunidades que se diferencian en
unos pocos aminoácidos
y la forma presente depende de la etapa del desarrollo
del organismo.
Fig. 26.9. Familias
multigénicas complejas. El grupo está formado por genes que se transeriben de
forma independiente.
La figura representa la familia de las
cenes rima las hiitonas en (a) el -.
eriza de m&, (b) la ~ros&hila mdanogaster y (c) en el tritón, una especie de salamandra
marina.
La flecha indica el sentida de la transcripción.
En el caso de las subunidades de tipo
P, existen 4 variantes (E, y, 6 y B). Durante
el período embrionario (menos de
8 semanas después de la fecundación) sólo se produce
la cadena
E, de la semana 8 a la 41 se sustituye por la y y a partir del nacimiento por la
p y una pequeña fracción de la F; igual sucede con las subunidades de tipo a. La
familia a está localizada en el cromosoma 16 y la P en el 11 y curiosamente están
organizadas en el mismo orden en que se activan (Fig.
26.10).
Fig. 26.10. Familias
multigénicas comple-
jas controladas por el desarrollo.
Este grupo está compuesta par genes que se activan e inactiva"
de acuerdo
ron el momento del
desarrollo.
(a) La familia
géniea
de la a-globina
en el
cromosoma
16, 5 es una cadena embrionaria,
la
al y a2 se producen
dcsde la
da fetal hasla la adultez. ~5 y yial
representan seudogenes. (b) La
familia génica de la R-globina lo-
calizada
en el
cromosoma 11; E es
una cadena emhrionaria, Gy y Ay
son fetales y las R y S comienzan
en la vida ktal v semantienen hasta
el estado adulto. yi 151 representa
un seudagen. Como se indica en
las flechas, estos genes se organi-
zan en el mismo orden en que son
activados, la cual no siempre su-
cede.

103. Genoma humano
El estudio del genoma humano es uno de los campos irás importantes y mis
complejos de la biología celular contemporánea. El tamaño y la organización
cromosómica de éste son similares al de otros aniiiiales. pero los métodos empleados
para su estudio resultan más coiiiplicados. El desxrollo de la tecnología del ADN
recombinante ha permitido encoiitr;ir pr»cediiiiieiitos directos para continuar,
profundizar
y rectificar resultados
eii~~«iiti.;idos rii décadas anteriores por estudios
indirectos, a los cuales muchc coiiirihiiyi, el c iidi« de la correlación entre las
enfermedades de origen gent9ii.o y los Ii;ill;iz~(is hioqiiíiiiicos y citogenéticos de los
pacientes. A manera de concliisiiiii de este c;ipíiiil« se iiiencionarán las características
más notables del geiionia de los \eres liiiiiimc~.
El genoina Iiuiiiniio est5 c(iii itiiid<i pnr iii«léculas de ADN organizadas en 22
pares de cr»iii»siiiii;is ;iutiisi,iiiic<is. el par de cromosomas sexuales (XY) y el
niitocondrial (t:iinhiL.ii Ilaiiiiido cr«in«s«ma M 6 25). Sus dimensiones pueden expresarse
en tEriiiiiios de iiúiiicni toiiil de prez de bases o de genes. El genoma nuclear haploide
hiiiii;iiiii coiiticiic 3.3 x 10" pb y el iiiitocondrial 16 569 pb.
Pnih;ihleiiiciite cl Ii<iiiihre tiene entre 50 000 y 100 000 genes estructurales, que
codilicnii I:i seciiciici;~ aiiiiiinacídica de proteínas o la nucleotidica de ARN ribosoinales
y de irmslereiicia. A csie estiinado se ha llegadopor medio de numerosos procedimientos
y resiilin ;ip«y;id« pnr el número de genes localizados en un segmento de ADN de
loii~iiiid coiiocidii. que ha sido estudiado en gran detalle. No debe confundirse el
núiiiero de yies con el de proteínas. pues como se podrá ver en capítulos posteriores
un iiiisiiio gen puede dar lugar a más de una proteína y, además, existen otros mecanismos
que prodiicen la formación de un gran número de proteínas a partir de un segmento
génico limitado.
El cniiiins~iiia iiiitocondrial presenta una mayor densidad de genes (por ausencia
de intmnes y espaciadores mucho más cortos) y presenta 13 genes para proteínas, 22
para ARNr y
2 para ARNr
(125 y 16s).
Se Iiaii locdizado unos 800 loci, cerca de 120 en el cromosoma
X y los restantes en
los
autosóiiiicns. Cada uno contiene como mínimo 1 200 pares de bases en información
codificada. pern son mucho mayores debido a los intrones y las secuencias que los
tlanquenii. t;iiito hacia el extremo
5' como hacia el 3'. Hacia la zona adyacente al
extreiiin S' se encuenti-an las regiones reguladoras, y hacia la 3' la secuencia AATAAA
conocida como sitio de poliadenilación.
Entre uno y otro gen se hallan secuencias espaciadoras de varias kb cuyas funciones.
si Im tieiieii. son desconocidas. Éstas consisten en secuencias repetidas, de las cuales
la iiiis frecuente es la llamada familia Alu, pues contiene la cuarteta AGCTíTCGA que
es reconocida por la enzima de restricción Alu 1 (de Arthrobacter luteus); estas secuencias
repetidas est6n presentes cientos de miles de veces en el genoma humano, especialmente
en los espaciadores. pero en ocasiones en los intrones.
De todos los estudios realizados hasta el presente pueden derivarse algunas
característic;is generales en cuanto a la organización de los genes humanos en los
cminosoiiias y que pueden resumirse en las siguientes:
l. En general los
genes cuyos productos están relacionados evolutiva o funcionalmente
aparecen agrupados en los cromosomas, sin embargo no existen agrupaciones
génicas para estructuras y funciones de órganos particulares, como oídos, corazón,
pulmón u organelos subcelulares como lisosomas, mitocondrias, etcétera.
2. Los
genes que codifican las enzimas que catalizan reacciones sucesivas en una vía
metabólica particular no se encuentran por
lo general agrupados en el mismo
cromosoma. Así, los
genes para las enzimas galactoqninasa, galactosa-1-fosfato
undil-transferasa y la gaiactosa-4-epimerasa, que propician la entrada de la galactosa

104. a la vía glucolítica están localizados en los cromosomas 17,9 y 1, respectivamente.
Igual sucede con las enzimasdelciclodela urqpues IacarbamilfosPato sintetasa 1,
ornitina transcarbamilasa, argininosnccínico sintasa, argininosnccínico liasa y la
arginasase encuentran codificadas en los cromosomas
2, X, 9,7 y 6, respectivamen-
te. Un hecho curioso es que la triosafosfato isomerasa,
gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa,
enolasa y lactato deshidrogenasa, relacionadas todas con la vía
glucolítica, presentan sus genes agrupados en el cromosoma
12.
3. Los
genes que codifican para las subunidades de proteínas heteroméricas se hallan
usualmente en cromosomas diferentes; mientras el gen para la subunidad ade la
hemoglobina está en el cromosnma
16, la subunidad
P está codificada en el 1 l. Lo
mismo sucede con las formas isoenzimáticas de la lactato deshidrogenasa cuya
subunidad
M se codifica en el cromosoma 11 y la H en el 12. Una excepción
notable es el fibrinógeno, cuyas
3 subunidades se codifican por
genes localizados
en el cromosoma
4.
4. En contraste con lo anterior, algunos
genes coditican más de una cadena
polipeptidica; esto se debe fundamentalmente al procesamiento posterior del ARNm;
así sucede con la insnlina cuyas
2 cadenas son codificadas por un gen único
nbica-
do en el cromosoma
11. Es también el caso del gen de la proopiomelanocortina
localizado en el cromosoma
2
que da origen a 7 polipéptidns con funciones dife-
rentes.
5. Los
genes quecodifican laformacitosólica y mitocondrial de la misma enzima se
encuentran en cromosomas diferentes, como sucede con la transaminasa
glutámico-oxalacética, cuya forma citosólica se codifica en el cromosoma
10 y la
otra en el
16 y la
isocitrato deshidrogenasa en el 2 y el 15, respectivamente.
6. Una característica sobresaliente es la existencia de los pseudogenes, o sea, secuen-
cias de bases similares a la de genes funcionales, pero que no se expresan al parecer
por haber perdido algún sector indispensable para su transcripción; estos
pseudogenes ocupan una porción considerable del genoma. Los más conocidos
son los de las cadenas
a y
p de la hemoglobinaen los cromosomas 16 y 11, respec-
tivamente.
El desarrollo que han alcanzado las diferentes técnicas, para el estudio de los
ácidos nucleicos, hace tener esperanzas de que en los próximos años se conocerán
muchos más elementos acerca de la estructura
y la organización del genoma humano.
A este objetivo debe contribuir de
fonna sobresaliente el Proyecto del Genoina Humano.
que pretende establecer la secuencia de bases de todas las moléculas de ADN contenidas
en los cromosomas humanos
y realizar estudios comparativos con secuencias de otros
organismos, para determinar la función de cada uno de los segmentos de ADN. Esta
investigación es transcendental para la biología contemporánea
y debe estar terminada
para los primeros años del próximo siglo.
Resumen
El material
genético de todos los organismos celulares está consütnido por el
ADN, que puede exLsür en una sola molécula como en los proeariontes, o en varias
como en los encariontes, en los niales, además,
está separado del
reato de la célula
por una doble membrana. El ADN de eucariontes se encnentra asociado con proteí-
uas, formando el par cromatina-cromosoma. El número
y
la forma de los
cromosomas son caracterLsticos de
cada especie. En los
cromosomas se hallan
secuencias de bases nitrogenadas que contienen la infomci6n neeessria para la
&tesis de las proteínas, los ARNr y los ARNt: éstos son los genes. El conjunto de
todos los genes en un organismo deíine el genoma Un gen puede tener muchas
formas al6Ucas pero una dlula s61o puede tener 2. Si son ignales, la dula es
homaeig6tica, y heterocig6tieasi sondesiguales. La pareja de genes que determina

105. un earácter forman el genotipo y su manifestsción externa es el fenotipo. Un ejem-
plo caraeterísocn de la relación genotipo-fenotipo en seres humanos lo constituyen
los gmp sanguíneos ABO.
En la célula eucarionte existen distintos tipos de secuencias nueleotídicas en el
ADN: las altamente repetidas, mediana y moderadamente repetidas y las semen-
cias únicas. Los genes casi siempre se encuentran en secuencias de copia única,
aunque existen notables excepciones como los de
las
historias y los ARNr. Las
secuencias altamente repetidas se locaüzan en los centrómeros y con menor
fre-
cuencia en los
telómeros; su hinaón es de800nocida Los genes eucariontes son
diseonünuos, pues presentan secuencias hieraladas no codificantes (htrones), se-
parando las codificantes (exones). Los geoes cuentan además con sus promotores y
con
sus
seeuenciasfnncionales -aunque no ccdiñcantes- tanto hacia el extremo 5'-P
como hacia el 3'-OH.
Muchos genes relacionados funcionalmente se agrupan, formando famiüas
génicas que pueden ser simples, complejas o reguladas por el desurolio ontogenético
del organismo.
El genoma humano constituye un caso especial dentro de los organismos
eucariontes por la importancia extraordinaria que tiene su mnoeimiento pmfnn-
do. Se
han
LoealVado más de 800 genes en los cromosomas humanas y a partir de
numem estudios
se
han podido precisar algunas de sus caracterísocas más so-
bresalientes: los genes que ccdiñcan proteinas espeóficas de un órgano o tejido no
están agrupados en el mismo cromosoma, así como tampoco los relacionados con
una vía metabólica; las subunidades de protehw heteroméncas se codifican por
genes localizados en cromosomas diferentes; algunos genes ccdiñean más de una
cadena poüpeptidica; también se encuentran separados los genes que ccdiñcan
formas diferentes de la misma emkq por Último, la presencia de pseudogenes en
una proporción notable del genoma es un heeho apreciable en el genoma humano.
F.stos conocimientos tienen no S610 una importancia teórica, sino también prác-
tica sobre todo en el campo de las ciencias médicas-
Ejercicios
1. Un gen A tiene un alelo A ' . Si el genotipo femenino es AA y el masculino A ' A '
¿cuáles serán los posibles genotipos de los descendientes?
2. ¿Cuál sería el resultado de la pregunta anterior si los genotipos masculino y feme-
nino hubieran sido AA ' ?
3. Se ha calculado que en el ADN de la E. coli existen 1 500 genes. Si cada uno
codifica una proteína de 500 aminoácidos
y el ADN total es de 4 x
10' pb. ¿Cuál
será la proporción codificante de ese ADN?
4.
¿Cuáles son los tipos de secuenciai de ADN que encontramos en las células
eucariontes
y qué relación tienen con las funciones del ADN? 5. A un cultivodecélulas sele añade ['HI-uridina durante lominutos. Las células se
lavan para eliminar el exceso de reactivo. Se sigue entonces la marca radiactiva por
los compartimentos celulares. En los primeros minutos después de la exposición
toda la radiactividad se localiza en el núcleo de todas las células. A medida que
pasa el tiempo se observa que las células se comportan deforma diferente, mientras
en
algunai de ellas la radiactividad permanecía en el núcleo, en otras se localizaba
en el citoplasma ¿Cómo pueden explicarse estos resultados?
6. Se sabe que la
ARh' polimerasa tarda aproximadamente 5 minutos en sintetizar el
ARNr de
28 S. Calcule cuántas moléculas pueden formarse en 8 horas si:
a) Existe un sólo gen para el
ARNry se transcribecon una sola polimerasa cada vez.
b) Existen 100 copias del gen
y cada uno es transcrito por una sola molécula de la
enzima. c) Existen 100 copias del gen
y cada uno es transcrito por 100 polimerasas
simultaneamente.
Componentes celulares y Genética molecdar 473

106. Con anterioridad se estudió cómo la replicación del ADN es el fundamento
molecular de la transferencia de información de una célula u organismo a sus descen-
dientes. Se asegura que en el ADN radica la información que determina
las característi-
cas estructurales
y funcionales de las células que lo contienen;
luego en las células
deben existir mecanismos por medio de los cuales se logre la expresión de la informa-
ción genética, ese mecanismo en líneas generales consiste en sintetizar proteínas, cuya
secuencia de aminoácidos está codificada en la secuencia de bases nitrogenadas del
ADN,
y este proceso consta de 2 etapas fundamentales.
En la primera la secuencia de bases del ADN se copia en
una molécula específica
de ARNm,esta etapaes la transcripción. La segunda consiste en utilizar lasecuencia
de bases del ARNm para, a partir de ella, sintetizar una cadena polipeptídica con una
secuencia específica de aminoácidos, esta etapa es la traducción (Fig. 27.1).
Estos 2 procesos que ocurren de manera continua -en algunos casos basta simultá-
neamente- constituyen el mecanismo fundamental, mediante el cual el ADN determina
las características estructurales y funcionales de
unacélula y de un organismo como un
todo; por eso, como se vio anteriormente, no es imprescindible la duplicación exacta
de todos los componentes celnla~s al producirse la división celular, pues basta con la
división del ADN
y los componentes celulares que intervienen en su expresión para
quelas células hijassean de la misma especie que las parentales.
Aspectos generales
La transcripción es el proceso central en el crecimiento y desarrollo de las células,
en lacual los genes que se encuentran en el ADN de los cromosomas sonselectivamente
localizados, reconocidos y transcritos, produciendo ARN mensajeros, ribosomales
(estructurales) y de transferencia (adaptadores). El notable progreso en Los últimos
años de la genética bacteriana,el ADN recombinante, la bioquímica-física, etcétera, ha
ampliado considerablemente los conocimientos sobre este proceso. Aun cuando pue-
dan existir diferencias en los mecanismos de transcripción en diferentes organismos,
hay una serie de características comunes a todos ellos que
se enumeran a continuación.
Los precursores de la síntesis de los ARN son los
4 ribonucleósidos trifosfatados,
ATP, GTP, UTP y CTP. En la reacción de polimerización, los ribonucleótidos son
añadidos uno a uno al extremo de una hebra en crecimiento por enzimas denominadas
ARN polimerasas dependientes de ADN o ARN polimerasas.
Fig. 27.1. Relación transcripeiún traducriún.
En los proeariontes (a) al no eiis-
tir envoltura nuclear la traducción
comienza generalmente antes de
terminar
la
transcripciún. En los
cuearionles (b) cl ARNm se forma
en el núcleo y alli se procesa antes
de
ser transportada al citoplasma
donde
es traducida.

107. La secuencia de bases del ARNes complementaria a la hebrade ADN, quese está
copiando. Aunqueel ADN es en general dedoble hehra,en cada sector específicosólo
una de ellas se utiliza como molde o patrón para la síntesis de ARN.
La hebra de ARN crece en el sentido
5
' -3 ' ,mientras va copiando la hebra del
ADN que está en dirección
3 '
-5 ',luego la síntesis es antiparalela y nnidireccional.
La reacción básica de polimerización consiste en la adición de un ribonucleósido
trifosfatado al extremo 3 ' -0H del nucleótido precedente, con liberación de pirofosfato,
formándose un enlace fosfodiéster. Al igual que en la replicación, la polimerización
avanza acoplada a la hidrólisisdel pirofosfato. Las ARN polimerasas son capaces por
sí mismas de iniciar la síntesis, luego no hay necesidad de un iniciador.
En resumen, la transcripción se produce por el mecanismo básico de
complementaridad de bases. añadidas en formas gradual, unidireccional y antiparalela,
sin necesidad de un iniciador y acoplada a la hidrólisis del pirofosfato.
Etapas de la transcripción
En el estudio de este procesoseseguirá el mismo ordenamiento
quecon el estudio
de la replicación: la iniciación, la elongación y la terminación, así como los eventos
previos a la iniciación (preiniciación) y los posteriores a la terminación (postermi-
nación). En primer lugar se analizará c6mo ocurre el proceso en los organismos
procariontes, queson los mejores conocidos. Más tarde se tratará la transcripción en
eucariontes dondese ha producido un extraordinario avance en los últimos años. La
transcripción es un proceso más simple que la replicación. En la
E. coli una sola
enzima es suficiente para la realización de todo el proceso; se comienza por describir
las características estructurales y funcionales de la enzima para no
intermmpir la se-
cuencia de los eventos moleculares.
Esta enzima debe realizar múltiples acciones para llevar adelante la transcripción:
reconocer el comienzo de lacadena de ARN que se debesintetizar en una doble hebra
de ADN, para lo cual debe identificar una secuencia de bases específica,debido a las
irregularidades de la estructura del ADN en esa zona del genoma; colocar cada
nucleótido en su posición correcta de acuerdo con la secuencia de bases del ADN;
realizar la síntesis total de la molécula de ARN desde el principio hasta el final;
reconocer las señales que indica el lugar apropiado para la terminación del proceso;
debe además reconocer sitios reguladores tantoen el ADNcomoen el ARN transcrito,
y poder interactoar con factores proteinicos y pequeñas moléculas que modulan la
actividad de la enzima en su recorrido sobre el ADN.
La ARN polimerasa mejor conocida
es la de E.
coli,quefue descubierta por Weisy
Gladstoneen
1959. Esta enzima está
constiiuida por 5 subunidades; 2 subunidades a de
136 kDdemasa molecular cada una; una P de 150 kD; una p 'de 155 kD, y una ode7U kD,
para un total de más de
450
kD. Es una de las mayores enzimas conocidas. Cada célula
bacteriana contiene aoroximadamente unas
3
000 moléculas de la enzima.
Diversos procedimientos experimentales permiten afirmar que la subunidad P está
relacionada con la unión de los ribonucleótidos sustratos y de los inhibidores de la
polimerización, así como la subunidad p ' en la unión con el ADN. Ambas subunidades
contienen un ion Zn2+ por molécula. La función de la subunidad
a está relacionada
con el ensamblaje de la enzima. Ninguna de las subunidades presenta actividad catalítica, ni de unión con el ADN en ausencia de las otras. La suhunidad ase disocia
fácilmente de la holoenzima, quedando el núcleo constituido por el resto de las
subunidades. Recientemente se ha reportado la existencia en la
E. coli de, por lo
menos,
5 subunidades o diferentes.
La holoenzima presenta una forma más bien alargada, con una longitud
máwma de
25 nm, es lo sufcientementegrande paraentrar en contactocon casi 75 pares de bases del

108. ADN, sin embargo, el núcleo sólo presenta 10 nm de longitud que le permite cubrir
aproximadamente
30 pb.
El núcleo de la enzima tiene gran afinidad por el ADN, y se une a éste fuertemente
en cualquier
lugar de la cadena.
Eventos
previas a
la inieiaci6n (preinieiación)
Los eventos de preiniciación consisten en la localización, por parte de la ARN
polimerasa, de un sitio específicodel ADN y laseparación de las
2 cadenas, de forma
que la secuencia de bases sea accesible a la enzima.
Por convención se representa la hebra de ADN, que no es copiada, y se designa
como la hebra codificante por ser
muy parecida en su secuencia al ARN, ésta se debe
escribir de izquierda a derecha en el sentido
5 '
3 3 ' . La otra hebra se denomina
molde porque esa es precisamente su función. La primera base que se transcribe se
toma como referencia y se designa como +l. Las escritas a su izquierda llevan números
negativos y las que van hacia la derecha números positivos -la posición
O no existe-,
por ejemplo:
Téngase presente
qnesi en la secuencia escrita a partir dela adenina +1 sustitui-
mos las
T por U, tendríamos la secuencia del
ARN transcrito primario.
El elemento central en la regulación de la transcripción es el promotor, que se
define como un segmento de ADN, éste contiene las señales para la unión adecuada de
la holoenzima de la ARN polimerasa y su posterior activación para formar un sitio
capaz de iniciar la transcripción. El promotor contiene, además, en sío en sus alrededo-
res, otras señales que controlan la unión específica de proteínas reguladoras. Estas
proteínas modulan la efectividad de la unión de la polimerasa con el promotor. Para
designar la efectividad que tiene la transcripción en los diferentes promotores
se utili-
za el concepto de fortaleza del promotor, de donde se derivan los promotores fuertes
(muy efectivos) y débiles (poco efectivos).
Al parecer el reconocimiento entre la ARN polimerasa y el promotor se debe a la
presencia de un grupo de donantes y aceptores de puentes de hidrógeno orientados
específicamente, que interactúan con grupos similares en el dominio de unión de la
enzima; estos determinan la especificidad del reconocimiento. A la estabilidad contri-
buyen otras interacciones menos específicas, pero más fuertes, como las interacciones
iónicas entre las cargas negativas de la parte monótona de la estructura del ADN y
residuos básicos del dominio de unión de la proteína, y quizás interacciones
hidrofóbicas entre el metilo de la timina y grupos apolares de la superficie de la
enzima.
En este momento es conveniente hacer la distinción entre 2 términos quese utili-
zarán frecuentemente y se refieren a las secuencias consenso y a las conservadas,
ambas derivan del análisis de sectores homólogos del ADN. Las secuencias consenso
seconstrnyen a partir de las bases que ocupan una determinada posición, en la mayoría
de los casos estudiados, aunque como tal no exista en ninguno de ellos. Las conserva-
das son las secuencias que aparecen completas en la mayor parte de los casos esiudia-
dos,lnego son reales. Las secuencias consenso en general sólo existen como posibili-
dad (Fig.27.2).
En los promotores conocidos se distinguen
2 secuencias consenso importantes. La
primera aparece alrededor de la posición
-10 y tiene la
estmctnra TATAATG. La otra
GTC::' 1: .: TGTC
ACG:;'; -I: 1 8 ACG
TAT(7;' :r ,. ! TAT
CCG; l i:.<.< i~CCG
TACL,': L -1,. 1 TAC
ATT.. 1 ..., i. . ATT
.
, ,~ .- .
, II - . .. . . .. - . . - ,
Fig. 27.2. Secuencias consenso y conserva-
das. Las secuencias consenso (a)
se obtienen a partir del análisis dc
un número de secuencias de sec-
tores equivalentes del ADN, y no
siempre existen en la realidad. Las
secuencias conservadas (b) son
aquéllas que se mantienen casi in-
alterables en todos loi organismos
analizadas.
Componentes celularw y Genética molecular 4?7

109. secuenciaimportante aparece alrededor de la posición -35 y contiene típicamente 8 pares
de bases,porejemplo,TGlTGACA,dondeexisteun predominiodepam AT. Ladistancia
entre las posiciones más conservadas de
-10 y -35 es por lo general 17
(? 1). En la figura
273 se muestra la estructura primaria de algunos promotores.
Región
-35 Región -10
lac
ACCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCG'r'Lt.'r(iTTGTGT<iAATTGTGA
gal P2 ATTTATTCCATGTCACACTTTTCGCATCTTTGTTA'iGC7rATGGTTATTTCA
trp AAATGAGCTGTTGACAATTAATCATCGAACTAGTrr'.:4CCTAGTACGCA+\GTT
Fig. 27.3. Estructura del promotor. Se muestra la secuencia del promotor de 3 upemnes. En azul, la
secuencia de
-35 que
parcee estar muy conservada. En rojo, la región -10 can su secuencia
consenso TATAAT. La letra roja corresponde con el primer nucleátido, en ser transcnto que
generalmente es A.
La fortaleza de los promotores está relacionada con estas características. Si la
secuencia se asemeja más a la consenso, la fortaleza del promotor aumenta, disminu-
yendo en la medida que se hace
más diferente. La
distancia entre las secuencias que &a
la mayor fortaleza esde 17 pb.
La subunidad 0, al unirse al núcieo de la polimerasa,aumenta la afinidad por estas
secuencias, de manera que permite a la enzima unirse a esta zona específica del
ADN.
Se cree que la unión se produce primero en la zona de -35 y después en la otra más
cercana, pero ambas son
indispensables.
La unión de la polimerasa en el sitio adecuado provoca un desenrollamiento local
del
ADN (favorecido por el elevado contenido de pares AT) que incluye aproximada-
mente las bases de
-10 a
+5. Esta estructura es muy estable y recibe el nombre de
promotor abierto (Fig.
27.4).
Fig. 27.4. Unión de la ARN
polimerasa al
promotor. Para realizar la unión al
promotor, la ARN polimerasa ras-
trea la señal sobre el ADN (a) has-
La localizar el oromotor (bi al cual . .
sc une firmemente y logra una
desnaturaliración limitada (c), que c
permite el acceso a la seeufneia de
bases de la hebra molde.
Una vez formado el nromotor abierto. la enzima comienza a deslizarse sobre el
ADN hasta anibara la primera base que va a ser copiada. En ocasiones para la unión de
la polimerasa con el sitio adecuado se requieren proteínas adicionales (capitulo
34).
En resumen, los eventos de
preiniciación comprenden el reconocimiento de seña-
les específicas, la unión ADN-enzima formando un promotor cerrado y su transforma-
ción posterior en un promotor abierto.
La enzimasedesliza hasta la posición
+l para
dar comienzo al proceso.

110. La iniciación de la transcripción comienza con la unión al complejo, formado por
la polimerasa
y el promotor abierto del
ribonucleósido trifosfato que formará el extre-
mo
5
' -P de la cadena naciente de ARN. La unión del segundo nucleótido y la forma-
ción del enlace fosfodiéster forma también parte de la iniciación; por lo tanto, consiste
en la formación de un complejo temario entrela polimerasa, el ADN y un segmento de
ARN, lo suficientemente largo para que el complejo sea estable y no sedisocie.
La
ARN polimerasa contiene 2 sitios de unión para nucleósidos trifosfatados,
llamados sitios de iniciación
y de elongación. El primero une frecuentemente
nucleótidos de purina
(93 % en una serie estudiada), casi siempre ATP (52 % en la
misma serie), luego la primera base en ser copiada es casi siempre la
timina, que ocupa
la posición +1 en nuestro ejemplo. Una vez formado el par AT se incorpora otro
nucleósido trifosfatado al sitio de elongación; sólo se incorporará aquél capaz de
formar un par con la base
+2, por ejemplo, la citosina
(Fig. 27.5).
Cuando los 2 sitios están ocupados se produce la reacción y queda formado el
primer enlace fmf0diktc.r. Innicdiahmente drspués M* produce el muvimiento de la
polimeraid hacia el nucleútidu siguiente. El final de la iniciación está determinado
por laseparación del factor
a y la formación de un complejo temario estable. Se creía
que esto ocurría
con la formación del primer enlace fosfodiéster, pero estudios poste-
riores demostraron que se requiere la incorporación de
6 a 9 nucleótidos para que esto
ocurra, como se muestra en la figura
27.6.
Fig. 27.5. Iniciación. Una vez formada el
promotor abierto la polimerasa
comienza a unir los nucleótidos,
dirigida par
una de las bandas del
AUN. Cuando la cadena contiene
de
6 a 8 nucleótidos se separa la
subunidad
a y sólo continúa ae-
tuanda el núcleo de la polimerasa.
Fig. 27.6. Final de la iniciación. Al separar-
se la subunidad a se produce un
cambia de confarmacjón en la
polimerasa que reduce sus dimen-
siones, haciendo que el número de
bases cubierto por la enzima sea
mucha menor.

111. Una vez liberado el factor o, la volimerasa adauiere una nueva conformación v se
forma un complejo temario (polim&a :ADN:A~ naciente) que es muy estable:
La reacción de elongación comprende los pasos siguientes:
1.
Unión a la enzima del nucleósido úifosfato sustrato, es específica tanto para la base
como para la ribosa.
2. Ataque nucleofilico del P(a) al 3: -0H con la formación del enlace fosfodiéster,
generando pirofosfato.
3. Liberación del pirofosfato de la enzima, que es hidrolizado por las pirofosfatasas.
4. Translocalización de la polimerasa a lo largo del ADN en un nucleótido, con el
desenrollamiento por delante y el reenrollamiento por detrás.
Lazona deelongación tieneunalongitud constantede 17 ~b.10 auesneiere ane esto
se debe a una propiedad de la enzima y no alasecuencia de b&essdel bN.'¿a veiocidad
promedio de la elongación está entre
30 y 60 nucleótidos por segundo
(Fig. 27.7).
Fig. 27.7. Elongariún. Un nucleósido
trifosfato, cuya base es comple-
mentaria
a la del molde, es coloca-
do
en el sitio de elongación; se
forma el enlace
fosfadiéster con la
liberación de P-P y la polimeraso
avanza hacia el próximo nueleó-
tido. Estos eventos se repiten tan-
tas veces como nueleótidos tenga
el gen
que se está
transeribicnda.
Un detalle interesante es que el desplazamiento de la polimerasa no se produce a una
velocidad constante; hay zonas en que el desplazamiento es más rápido-qne en otras,
inclusoexisten pausas donde laenzima se detiene totalmente, estas pausas están relacio-
nadas con
las zonas ricas en pares CG. La
polimerasa en su movimiento va desenroilando
la doble hebra del ADN, y
esto es más
diñd en las mnas donde predominan los pares CG.
Durante esta fase al núcleo de la polimerasa se une la NusA (69 kD) y al
parecer evita la terminación prematnra de la cadena; su acción no es procmtiva, pues
con frecuencia se asocia y disocia de lapolimerasa.
En la elongación se forma un híbrido ADN:ARN, pero mucho más corto que el
formado en la iniciación de la replicación. Algunos autores aseguran que la zona
híbrida sólo comprende unos 12 pares de bases. En la medida que la polimerasa
avanza, el ADN vuelve a enrollarse detrár: de ella.
En resumen, la elongación consiste en el aumento gradual de la cadena
polirribonucleotídica por acción fundamentalmente del núclGde la ARN polimerasa.
El complejo de la ARN polimerasa, moviéndose sobre el ADN, es estabilizado por
proteínas auxiliares que impiden la dislocación de la enzima.
Terminaaón
La terminación de la síntesis del ARN ocurre en sitios de secuencia de bases
específicas en la molécula del ADN. Se conocen numerosas de estas secuencias
y todas
tienen las características que se muestran en la figura 27.8.

112. Dirección de la transcripción
T>
Secuencias repetidas invertidas
1
1
/ Zona rica ZOnarica
I I ienGC enAT
Transcripción 'o'
ARNm
Existen
3 regiones importantes:
1. Una secuencia repetida-invertida con un segmento no repetido central, o sea, la
secuencia en una hebra del ADN
sena del tipo:
ABCDFG
.... ZZYYZZ ...... G'FrE'D'C'B'A',
donde: A
y A', B y
B' y las demás son bases complementarias. De esta forma la
secuencia es capaz de formar pares de bases intracatenarios, dando lugar a una
estmctura en «tallo y asa» enel ARN y posiblemente también en el ADN.
2. Una secuencia rica en CG muchas veces esta localizada dentro del tallo, aunque
puede parcialmente encontrarse dentro del
asa.
3. Es usual
quese presente a continuación una secuencia rica en AT,que sale fuera del
tallo
y
hace que el ARN contenga una adenina seguida por 4 a 8 uridinas.
Todo parece
indicar que la formación de la
estnictura en "tallo y asa", en la molé-
cula del ARN, está implicada notablementeen el mecanismo de la terminación. Se ha
comprobado quemientrasmayor seael contenido de pares GC dela estnictnraen "tallo
y asa", y mayor la longitud de la cola de poli(U), la terminación será más efectiva.
No se conoce con exactitud cómo se produce la terminación, pero parece estar
relacionada con una pausa en el movimiento de la polimerasa. E1 proceso incluye: el
cese de la elongación de la cadena de ARN, la liberación del ARN neoformado
y la
liberación de la ARN polimerasa del ADN (Fig.
27.9). En el proceso de terminación
intervienen proteína específicas, cuya acción no está totalmente esclarecida.
Existen
2 tipos de
mecanismos de terminación: la señalada con anterioridad, que
es reconocida por la propia polimerasa.
El otro tipo de terminación ocurre por la acción de una proteína específica deno-
minada rho (p); ésta es una proteína oligomérica que no se uneni a la polimerasa ni al
ADN. Su unión al ARN le estimula una fuerte actividad de nucleosidotrifosfatasa
OVTpasa). Aun cuando el mecanismo del factor rho no está totalmente esclarecido, se
Fig. 27.8. La señal de terminación. Las ca-
racterísticas de la secuencia del
ADN
en la zona de terminación
pueden
dar lugar a una estructura
eruciforme en el ADN y a una es-
tructura de "tallo y asa'' en el ARN
transcrito.
-- -
@omponentes celulares y 8enética moiecuiar 481

113. Fig. 27.9. Terminación. La terminación cona-
la de los pasos siguientes: cese de
la elongación, separación
del ARN neoformada y separación de la
ARN polimerasa.
Fig. 27.10. Uniún de Rllu al ARN. El factor
Rho se une a una secuencia espe-
cífica del ARN, lo cual estimula su
acción hidrulitica provocando la
terminación de la transcripción.
encuentra relacionado también con la existencia de pausas en el movimiento de la
polimerasa, aunque no se ha detectado ninguna homología en las secuencias estudia-
das. Rho es una proteína formada por
6 subunidades de 46
kD cada una, cuya agre-
gación se estabiliza por la unión al
ARN en presencia de ATP; cada monómero se une
a un segmento de 12 a 14
baies, por lo que en total se unen de 72 a 84 bases (Fig.27.10).
En resumen, la terminación incluye el detenimiento de la elongación, la libera-
ción del
ARN y de la polimerasa. En ocasiones son necesarias secuencias específicas
del
ADN y en otrasse requieren
proteínas específicas.

114. Eventos posterminación
En procariontes los distintos tipos de ARN sufren diferentes grados de modifica-
ción antes de ser totalmente funcionales. A continuación se tratará someramente este
proceso llamado de maduración.
Los ARN mensajeros no sufren modificaciones; la estructura tipica de un mensa-
jero contiene
4 sectores funcionalmente diferentes. Una secuencia inicial hacia el
extremo
5
' ,conocida como secuencia conductora y que contiene una zona rica en
purinas y un triplete de bases especítico, el AUG, llamado también codon deiniciación
(Fig. 27.11).
Hacia el extremo 3 ' contiene también una secuencia de longitud variable,cono-
cida como secuencia de terminación. Un tercer tipo de sector está constituido por las
secuencias codificadoras, aquéllas que contienen la información para la síntesis de
polipéptidos específicos.
La figura
27.12 resume las principales características estructurales de los ARNm
de procariontes.
Fig. 27.11. Extremo 5' del ARNm de
praiariontes. Hacia el extrema
5'
del
codon de inieiació~ (en rojo)
aparece una mna rica en purinas
conocida como secuencia de Shine
y Dalgarno, y es la que va a per-
mitir
la fijación del ARNm al
ribasama cm la pasickh precisa.
Fig. 27.12. Estructura de un ARNm palicistrónico. Las ARNm de prucariontes son policistrónicos,
contienen la información para varias cadenas polipeptídicas (G1, G2, G3 y G4), cada una de
lar cuales presenta su mdon de iniriaeión (AUG) y de terminación (UAG) separados por
sceueniias espaciadoras (El, E2 y E3), la zona conductora hacia el extremo 5' que contiene
la secuencia de Sliine y Dalgarno (SD), así como la zona no traducible del exlrema 3'-OH.
Los ARN mensajeros de procariontes contienen típicamente información para
varias cadenas polipeptídicas, por lo que reciben el nombre de policistrónicos. En la
E. coliun solo ARN mensajero codifica para 3 enzimas relacionadas con el metabolismo
de la lactosa,
y uno sólo, para las 10 enzimas de la síntesis de la histidina. Enhelas secuencias codiñcadorasse encuentran zonas delongiind variable conocidas
comoespaciadores. Los ARN policistrónicos tienen una longitud tipica de
3 000 a 8 000
bases, aunque los hay mayores como el de la histidina que contiene 12000
nucleótidos.
Los ARNm de procariontes se comienzan a traducir generalmente antes de que tennine su
hanscripción,~ sea, los
2 procesos son simultáneos. lo que indica que estas moléculas no debenexperimentarningún proceso demaduración; esel tip de ARN de mayor labilidad
metabólica, pues su nda media alcanza como promedio 1,8 minutos.
En cuanto a los demás tipos de ARN, su síntesis no difiere de la del mensajero,
pero hay hechos que indican que ni los
ARNt ni los ARNr son los transcritos primarios
(productos inmediatos de la transcripción)
comoson:
1. El extremo 5' presenta un nucleósido monofosfato y no un trifosfato, como cabe
esperar de un transcrito primario.
2. Los ARNt y los ARNr son mucho más cortos que los transcritos primarios.
3. Todos los ARNt contienen bases raras que no aparecen en las moléculas recién
sintetizadas.
Componentes celulares y Genética molecular 483
-
-

115. Todos estos cambios se realizan después de la transcripción en un proceso llama-
do modificaciones postranscripcionales o maduración.
El ARNt mejor conocido es uno de la
E. coli que lee el codon GAU y transfiere
tirosina, que está formado por85 nucleótidos. La
E. coli tiene 2
genes para este ARNt
que están adyacentes
y presentan 2 secuencias idénticas de 350
bases,cada unacon un
espaciador de
200 nucleótidos. Los 2
genes son transcritos en un solo ARN, que es
cortado cuando se hacompletadosu síntesis. La transcripción comienza
41 bases antes
del extremo 5
' -P del ARNt y termina 224 bases después del extremo 3 ' -0H.
Primero ocurre la transformación del extremo 3 ' por la eliminación de las bases en
vanos pasos enzháticos, hasta dejar do 2 nucleótidos después del CCA; después se
eliminan las bases anteriores al extremo
5
' , quedando éste formado. La enzima
ribonucleasa P (Amasa P) bidroliza la molécula en el lugar adecuado, pues reconoce
su estructura tridimensional en esta zona; inmediatamente la misma enzima elimina
los
2 nucleótidos sobrantes del extremo 3
' ,con lo cual la molécula adquiere su tama-
ño definitivo. Por último, se produce la modificación de las bases nitrogenadas en
sitios específicos y se forma la pseudouridina, la tionridina, la metilguanosina y la
isopenteniladenosina (Fig. 27.13).
Fig. 21.13. Maduración del ARNI. Las
pasos indicados en el esquema
se explican detalladamente en el
texto.

116. Maduración de lm ARNr
Los ribosomas bacterianoscontienen 3 tipos de ARN conocidoscomo ARNr de S S,
16 S y de 23 S, los cuales contienen 120,l S41 y 2 904 nucleótidos, respectivamente.
Estas moléculas junto con las de algunos ARNt son sintetizadas en un precursor que
contiene más de
5
000 nucleótidos. Un caso típico puede ser el siguiente:
ARNr 16s - ARNt(ne) - ARNtiAla) - ARNr 23s - ARNr 5S - ARNtiAsp) - ARNtiTrp)
El transcrito primario va siendo hidrotizado en la medida que se va formando por
un conjunto de enzimas del tipo de las endonncleasas y exonncleasas; esta forma de
transcribir los ARNr tiene la ventaja de que éstos son sintetizados en la misma pro-
porción (1:l:l) en que son utilizados por la célula en la formación delos ribosomas.
En resumen, las características mássobresalientes de la maduraciónen procariontei
se resumen en los puntos siguientes:
1. Todos los ARNt y ARNr son procesados, no
asílos ARNm.
2. Se requieren cerca de 10 tipos de ARNasa que generan tanto el extremo 3'-OH
como el 5'-P.
3. Las ARNasas reconocen preferentemente a las estructuras tridimensionales más
que a las secuencias de bases.
4. Las bases
rarasson formadas por transformación enzimática de las comunes.
Los conocimientos sobre la transcripción en eucariontes se han iocrementado
intensamente en los últimos
10 años y han mostrado que el proceso es mucho más
complejo que en los procariontes, aunque en líneas
muy generales es similar.
A conti-
nuación se hará
un breve resumen de los hechos más sobresalientes de este proceso en
los organismos superiores.
La transcripción en el núcleo de los eucariontes se realiza por
3 tipos de enzimas
ARN poümerasas denominadas 1, II y III. Además, existe una enzima en las mitocondrias
y otra en los cloroplastos. La pol 1 se localiza en e1 nucléolo y realiza la síntesis de los
ARNr. La tipo 11 es del nucleoplasma
y realiza la síntesis de los
ARNm, en tanto la de
tipo 111 que es también del nucleoplasma, lleva a cabo las síntesis de los ARNt
y del
ARNr de
5 S. Cada enzima está formada por unas 10
subunidades y las 3 mayores
presentan gran similitnd con las subunidades
a,
P y ' de la E. coli. Estas enzimas se
distinguen por su sensibilidad al inhibidor a-amanitina, que tiene un efecto intenso
sobre la polimerasa 11, menos marcadosobre la 111 y ninguno sobre la 1.
La reacción de polimerización catalizada por estas enzimas es similar a la de las
polimerasas de procariontes. Todas ellas requieren de varias proteínas adicionales
llamadas factores de transcripción. Estos factores son especíñcos para cada polimerasa
y pueden dividirse en 2 grandes grupos: los generales y los genicoespecíficos. Los
generales son aquéllos necesarios para la transcripción de cualquier gen por una
polimerasa dada, y asíexisten factores generales de la polimerasa 1, de la 11 y de la 111.
Los genicoespecíficos sólo se han descrito para la polimerasa 11, pues se trata de la
enzima que debe transcribir genescon mayor grado de variabilidad en su expresión.
Los factores de transcripción generales de la polimerasa 1 son UBF y SL-1; los de la
poümerasaIIsonTFm,TFIIB,TFIII>,TFIIE,TFIIF y TFW; y losdelapoherasa m
son TFIIIA, TFIIIB y TFIIIC. Los genicwspecíficos sólo se mencionarán en los caros
necesarios.
La formación del complejo de preiniciación comprende
3 etapas básicas, en cada
una de las cuales participa al menos un factor de transcripción. El primer paso consiste
en la unión de
un factor de transcripción a una secuencia específica del promotor. El
Componentes celulares y
@enética molecular 485

117. segundo, en la unión de otro factor de transcripción que va a servir como una especie
de puente para la unión de la poliunerasa. El tercer paso es la unión de la polimerasa.
Fig. 27.14. Transcripción de
genes organi-
zadas
en tándem. La figura simula
una
inicrafotografía electrónica.
Cuando
un gen se encuentra repe-
tido
en el
genama y eslá organiza-
do
en tándem, o sea, uno a conti-
nuación del otro,
al producirse la
transcripción eoii numerosas poli-
merasas es posible observar una
imaflen arborescente.
Fig.
27.15. Promotor del ARNr
de SS en
eucariontes. La más curioso en la
estruchira de este promotor
es que
una de las secuencias que lo inte-
gran se
localiza en el interior del
gen entre las posiciones 47 y 96.
Sólo en el c& de la ARN poliherasa U hay factores de transcripción queseintegran al
complejo con posterioridad a la entrada de la enzima.
Síntesis y
maduraei6n de los ARNr
La transcripción de los ARNr (excepto el de 5 S) se realiza en el nucléolo por
accióndela Afipoherasa 1. Las genes 'km repetidos numerosas veces y organizados
en tándem. En el ser humano cada unidad de tramcripción en dirección S ' -P -> 3 ' -0H
contiene los genes para los ARNr de 18; 5,8 y 28 S, está formada por un segmento de
ADN de aproximadamente 13 700 ph y separada de la siguiente por un espaciador de
30 000 pb. Estas unidades se encuentran localizadas en los cromosomas 13,14,15,21
y 22. cada unidad daorigen a un transcrito primario de45 S quedurante la maduración
produce los ARNr definitivos. La transcripción puede ser
vista mediante el microscopio
electrónico, donde se obtiene una imagen arborescente
(Fig. 27.14).
La formación del preARNr de45 S demora de3 a 4 minutos. Durante lasíntesis se le
h;insfieren m& de 10~grupasmeolos alas basa y ribosas de nurieótidm es@n>s. una
vez terminada la transcripción, una ARNasa hidrob un enlace fosfodiilster que reduce el
tamaño dela molécula en algunos cientos de nucleótidos en el extremos ' -P; después se
produce un corte hacia el extremo 3 -0H del preARNr de 18 S, que es el que
adquiere su forma definitiva al eliminarse los restantes nucleótidos del extremo S ' -P.
~kultán8oadicho~mcew,este~RNse va uniendoaproteínas hasta formarla subunidad
menor del ribosoma, que esliberada hacia el citoplasma donde sele incorporan otros 4
grnpas meolm. La maduración del otm fragmento se produce de forma
similar.
Los
genes para el ARNr de 5 S están localizados en el cromosoma 1 y su
transcripción la realiza la ARN polimerasa IU, y no tiene profeso de maduración.
Por métodos de ingenieríagenética han podiodeterminarselas secuencias nece-
sarias parasu transcripción, lo más asombroso es que para lasíntesis se requiere de una
zona de unos 50 nucleótidos que comienza en
la posición
+47, dentro del gen. Un
factor general de transcripción 4 une a esta secuencia-y permitela unión de lapolkerasa
111, que comienza la transcripción en la posición +1 que es ocupada por una G. Las
alteraciones producidas en la secuencia alrededor del punto de iniciación sólo cam-
bian el sitio de iniciación, sin embargo, el proceso se-ve seriamente afectado por
cambios en la zona de +47, por lo que se concluye que la única señal necesaria es la que
aparece en el interior del gen. La proteína que alüse une fue el primer factor activador
de la transcripción, purificado a partir de células de eucariontes (Fig. 27.15).

118. Síntesis y maduradón de los ARNt
Los genes de los precursores de los ARNt son transcritos por la ARN polimerasa
111, de muchos de ellos se conoce totalmente la secuencia de bases y a partir de ella se
han podido precisar las secuencias necesarias para la transcripción. Hacen falta
2
regiones: la
primera,localizada entre las posiciones +10 y +20 y la segunda, entre +S0
y +60 del ARNt maduro -lasseñales están dentrodel gen- y éstas corresponden a las
asas
D y TC, respectivamente; luego estas zonas tienen una función dual: en la estruc-
tura
tridimensional de la molécula
y en la promoción de la transcripción de sus
genes
(Fig. 27.16).
Los ARNt se forman a partir de un precursor de mayor tamaño, que es procesado
hasta el estado definitivo. La maduración incluye la reducción del tamaño en los 2
extremos, la modificación de las bases nitrogenadas (aproximadamente una de cada
10),la adición del extremo CCA
y la eliminación de los intrones que comprende los
pasos siguientes:
1. Hidrólisis por endonucleasas de los enlaces fosfodiéster en las uniones exón-intrón
e intrón-exón, y se forman un extremo3'-P y unos'-OH.
2. Una quinasa transfiere un Pdel ATPal exón, formando un extremo S'-P. El Pde la
posición 3' del otroextremo se traslada a la posición 2' espontáneamente.
3. Por acción de una ligasa (similar a la ADN ligasa) se unen los 2 extremos en una
rearci6n dependiente del \TP.
1. I'na fosi'ata>a elimina el Pde la posiriún 2'.
La fipura 27.17 muestra todoel Droceso.
~es&és que el proceso de madukdón se ha completado -y nunca antes- los ARNt
maduros son transportados hacia el citoplasma.
Unidades de transeripei6n
Antes de describir la maduración de los ARNm es conveniente hacer algunas
consideraciones. En primer lugar, los ARNm de eucariontes son monocistrónicos, sólo
tiene información para la síntesis de una cadena polipeptídica. Tanto el extremo
5 ' -P como el 3 ' -0H están modificados por una estructura en forma de casquete,
el primero, y por una larga secuencia de adeninas repetidas, poli(A), el segundo.
Los ARNm maduros no contienen las secuencias de bases que corresponden a los
intrones en el ADN, pues son eliminadas durante la maduración.
Fig. 27.16. Promotor del ARNt en eucarioii-
tes. Hay 2 secuencias integradas
de manera funcional en el promo-
tor de este gen g que se encuentran
dentro de éste. Esas secuencias co-
rresponden can 2 asas del ARNt
maduro; luego desempeñan 2 fun-
ciona importantes.
Componentes celularrs y Genetica molecular 487
L

119. Fig. 27.17. Eliminación de intrones en los
ARNt En la eliminación de los
intrones, los 2 exones son proce-
sados de forma diferente.
Una
endonueleasa (EN) hace el corte
en los sitios de unión del intrón. El
fosfato de la posición 3' pasa a la
2' espontáneamente,
en tanto, una
quinasa (Q) adiciona un grupo
fosfato al extremo S', que después
es activado par una ligasa (L) que
le transfiere un grupo adenilato.
Por último, se forma el enlace
fosfodiéster, mientras
que una fosfalasa (F) elimina el grupo
fosfato de la posición
2'.
Al segmento de ADN que contiene la secuencia de bases que transcribe la
ARN polimerasa 11 se le denomina unidad de transcripción. Estas unidades pue-
den ser simples si dan origen a un solo tipo de ARNm, o complejas si dan lugar a
más de uno. Una unidad simple de transcripción típica contiene la zona del
promotor por la cual se une la polimerasa 11; estos promotores presentan una
secuencia consenso (TATAAT) aproximadamente entre las posiciones -25
y -35.
Otras secuencias se encuentran más alejadas hacia el extremo 5
' y sirven como
sitios de unión para los factores genicoespecíficos
y, por lo tanto, pueden variar
en número
y estructura en concordancia con cada gen en particular; estos factores
de transcrioción oueden incrementar la intensidad del
oroceso cientos de veces. a
partir del nivel basa1 de expresión que logran los factores generales. Otras secuen-
cias más alejadas pueden actuar como elementos potenciadores (Fig. 27.18).
La incorporación de nucleótidos comienza en la base +1 a la cual durante la
maduración se añadirá el casquete (cap); después aparecen exones e intrones de
forma alternativa. En el último exón aparece unasecuencia consenso, la AATAAA,
que indica el punto donde debe añadirse la cola de poli(A). El sitio exacto donde
termina la transcrivción no está del todo conocido.
I
as unidades c&nplejas son menos regulares y pueden presentarse las situaciones l
siguientes:
1
1. Varios sitios de iniciación y uno de terminación, pero con procesamiento diferente
J
del transcrito primano.
2. Un sitio de iniciación y varios de terminación, con procesamiento diferente.
3. Varios sitios de iniciación y terminación, pero con igual procesamiento.
4. Un sitio de iniciación y uno de terminación, con diferente procesamiento.

120. Otras secuencias
reguladoras Sitio
-110 -40 -35 -25
de CAP
En la figura 27.19 se muestra un resumen de las posibles unidades complejas de
hanseripción.
Fig. 27.18. Estructura general de los pro-
motores eucariontes. Los pmmo-
tares eucariontes son más cample-
jas que los proeariontes. El sitio
para el
CAP corresponde can el
primer
nueleótido en ser transerita,
por lo que representa la posición
+l. En la región de -25 a -35 se
encuentra la secuencia TATAAA,
entre
-40 y -110 se encuentran 2
secuencias
que pueden correspon-
derse con
alguna de las represen-
tadas
en el cuadro inferior y en
olra zona que puede ser la repre-
sentada- estar más hacia el extre-
mo
5' o incluso hacia el extremo
3'- se encuentran secuencias que
estimulan mucho la transcripción
(enhancer), pera que no parecen
ser constantes en todos los genes.
ARN m
ARN m
//
Fig. 27.19. Unidades transcripcionaks com-
b ....~e.= . .
//
.... . .~
> . , .. .. plejas. (a) El gen de 1s ealcilonina
..? .!
. ., ., ,
gen -+A? V.,.l
,.! ,,. '
//
con un solo sitio de iniciación (i) y
ii h A, A, 2 de ~>oliadenilaeión (A) y madu-
ARN m m?'
ARN m
ARN m I I I
ARN m mlA7-
ración diferente que, según el pri-
mer caso,da origen
a la
cakitonina
en el timides y, según el segundo
raso, origina un péptido relacio-
nado
con la
ralcitanina que apare-
ce
en el
hipotálamo y en otras re-
giones del SNC. (b) Unidad- con
varios sitios de iniciación y de
poliadenilación, como sucede
con
el gen de
la amilasa de ratón que
en el primer casa da lugar a la en.
aima salivar y en el segundo, a la
panereátiea. (e) Hay un solo sitio
de iniciación y de poliadenilación,
pem el procesamiento es diferente
roma los genes del gamma
fib"nógen0 de la
rata que origina
el
tipo A, en el primer caso, y el
tipo^^, en el segunda. (d) Presen-
cia de varios sitios de iniciación y
de poliadenilación, pero
no hay
diferencias en la maduración, como se observa
en el gen que
codifica diferentes formas de la
enzima dihidrofolato reduetlsa de
ratón.
Estas diferentes variantes
pueden dar lugar
a proteínas
disímiles que, sin embargo, están
codificada en el misma segmento
de AUN.

121. Síntesis y maduración de loa ARNm
Fig. 27.20. Iniciación en eueariontes. A
medida que el ARNm se va for-
mando, una transrnetilasa que uti-
liza S-adcnosil-metianina (SAM)
como eofactor, metila diferentes
nucleótidos de adenina, lo cual
convierte al eafactor en S-adena-
sil-homaeisteína (SAH). Cuando
el
ARNm tiene un
tamaño adecuado
comienza
a unirse con
protehas,
dando lugar
a la formación de las
partículas de
ribonucleoproteinas
heterogéneas nucleares (PNPhn).
La síntesis del ARNm, una vez comenzada, se produce de forma ininterrumpida
hasta el final, se copian tanto los exones como los intrones. De manera simultánea
algunas de sus adeninas son metiladas (0,l %)y el ARN naciente va uniéndose con
proteínas formando las partículas de ribonucleoproteínas que contienen ARN nuclear
heterogéneo (PRNnh) (Fig. 27.20).
Poco después de comenzada la síntesis -menos de 100 nncleótidos- se produce la
incorporación del casquete, proceso que al parecer consta de los pasos siguientes:
1. Una fosfatasa elimina el
P(y) del extremo 5 ' -P.
2. La guanilato transferasa incorpora el grupo guanilato del GTPal extremo 5 ' -P-P,
formando un enlace anhídrido 5
' -P-5 y el pirofosfato que es hidrolizado por las
pirofosfatasas, lo cual favorece la reacción energéticamente.
3. Un grupo de
transmetüasas transfieren sucesivamente grupos metilos ala posición
7 (Cap O) de la guanina
y a la posición 2 ' del primer (Cap
1) y segundo (Cap 2)
nucleótidos, utilizando como cofactor la S-adenosil-metionina (Fig. 27.21).
El significado de esta metilación se discute, pero
2 conclusiones parecen ser
convincentes: la transformación del extremo 5
'
-P protege al ARN de la acción de las
exonucleasas, y esta estructura está relacionada con la unión del mensajero al nbosoma
(capítulo 30).
La terminación no está bien esclarecida. La polimerasa 11 continúa su acción
después de la secuencia AATAAA, pero entre 500
y 2 000 nucleótidos posteriores se
producen el cese del crecimiento de la cadena
y el fin de la transcripción. En pocos
segundos (90 a 120) la
cadenase corta en un punto que dista 15 a30nucleótidos dela
secuencia AATAAA,
y las
poli(A) polimerasas van incorporando uno a uno los
nucleótidos de adenina hasta un total que puede variar entre 120
y 250 nucleótidos (Fig. 27.22).

122. presentan la estructura completa.
Sitiodepoli (A)
/ Terminación
- -
~1~. 27.22. Formación de la cola de Poli A.
--
La secuencia AATAAA indica que,
en unos 20 pb más adelante, se
5 debe oroducir la incor~oraeión de
Eliminación de nucleótidos
.. IAUAAA
5'
' Adición de poli (A)
4
5'
&.,4-,\-. ..., \- 3'
250
.
la cala de poli adcnina POMA). Al
realizarse la lrsnscripción, una
endonueleasa hidroliza el ARNm
en cl sitio adecuado y la poli(Al
polimerasa adiciona adeninas que
pueden llegar alcanzar el nJmero
de 250.

123. De esta manera quedan formados los extremos 5 ' y 3 ' a los pocos minutos de
terminada la transcripción; estos extremos no experimentan ninguna otra modifíca-
ción durante la maduración.
El siguiente paso consiste en la eliminación de los intrones, donde intervienen
ribonucleoproteínas que contienen los ARN nucleares pequeños U1, U2 y U5 (Fig. 27.23).
Fig. 27.23. Corte y empalme de exones en
el ARNm. El primer corte se pro-
duce
en el extremo 5 ' del intrón,
que va seguido de su
cireulari-
zacián y el segundo corte, conclu-
ye con el empalme entre los 2
exones. En todo el proceso inter-
vienen las ARNpn y proteínas es-
pecificas.
Los intrones se eliminan uno a uno, esta etapa al parecer comprende los pasos
siguientes:
1. Se produce la unión del preARNm con las ribonucleoproteínas, y la asociación del
U1 a la zona de unión exón-intrónfavorece la hidrólisis del enlacefwfodiéster para
formar un exhemo libre 3 ' -0H en el exón.
2. Existe una secuencia de bases en el intrón separada de su extremo 3 ' por 20 a 40
nucleótidos -en las levaduras es UACUAAC-, que está muy conservada y favorece
la formación deun asaintraintrón, a10 cual contribuye el U2. Esta asase estabii
por la formación de un enlace fosfodiéster
2
' -5 ' entre el extremo 5 ' -Pdel intrón y
una adenosina próxima al extremo
3
' de éste.
3. Se produce la hidrólisi del enlace fosfodiéster en la unión intrón-exón, generando
un exón con el extremo 5 ' -P. En este naso narticioa el U5. El intrón senarado es . .
atacado por las nncleasas y los nncleótidos son reutilizados.
4. Se produce el enlace fosfodiéster 3 ' -5 ' que une los extremos de los 2 exones. Esto
puede realizarse ya que durante todo el proceso de corte y empalme se forma un
gran complejo ribonucleoproteínico que mantiene unidos a todos los componen-
tes del sistema.
Todo el proceso requiere ATPcomo cofactor -que no puede ser sustituido por
ningún otro
NTP- y
Mgha bajas concenhaciones, pues muy elevadas tienen un efecto
inhibitorio.

124. Como se dijo anteriormente si la unidad transcriptiva es simple, el corte y el
empalme se producen siempre de la misma forma, originando siempre un mismo
ARNm; pero en las unidades complejas se emplean diferentes sitios de iniciación
o de incorporación del poli(A), o formas distintas de corte y empalme que pueden
originar ARNm diferentes y que, por lo tanto, darán origen a distintas proteínas.
Se ha insistido en que la maduración del ARNm constituye un punto de control
fundamental en el mantenimiento de los niveles adecuados de ARNm en el cito-
plasma.
Sobre el transporte de ARNm al citoplasma poco se sabe, solamente está
comprobado que ocurre una vez que el proceso de maduración ha concluido. Al
contrario de los ARNm de procariontes, los de eucariontes son muy estables en el
citoplasma y tienen una vida media de horas; se ha pensado que esto se debe a la
modificación de sus 2 extremos. Un fenómeno curioso es que la cola de poli(A) se
va acortando en el citoplasma. Dos experiencias son claves en estas conclusiones:
se aislaron ARNm que eran muy estables, se les eliminó la cola de poli(A) y se
inyectaron en el citoplasma de una célula y se comprobó que presentaban un
recambio muy rápido. Por otra parte, se tomó el ARNm de histonas que no contie-
ne poli(A), se le añadió éste, se inyectaron en el citoplasma celular y se observó
que la velocidad de recambio disminuyó considerablemente.
El conocimiento de estos procesos ha permitido conocer el origen de algunas
enfermedades, de las cuales las más conocidas son algunos tipos de talasemia;
ésta comprende un grupo de entidades nosológicas que se caracterizan por la
ausencia total o parcial de una de las cadenas de la hemoglobina.
En algunos pacientes que presentan el tipo (no sintetizan cadenas P) se ha
descubierto una mutación que origina un cambio
G
-, A en el extremo 5 ' del
segundo intrón; esto inactiva a este sitio y se produce un ARNm a partir de otro
sitio donante dentro del intrón. En otros casos del tipo P' (producen un bajo nivel
de cadenas p) se han localizado mutaciones en el primer intrón, donde se crea un
nuevo sitio aceptor. Se produce un corte y empalme anormales, utilizando este
nuevo sitio con preferencia al normal y disminuyendo asíla formación de cade-
nas B normales. Por último, se han descrito casos del tipo u" (no sintetizan cadenas
u) que han perdido las
5 bases inmediatas al primer
exón, con lo cual se pierde el
sitio donante para el corte y el empalme. Al no poderse utilizar este sitio se
emplea otro que está localizado dentro del exóii.
Todos estos fenómenos son conocidos recientemente por lo que existen mu-
chos puntos no esclarecidos. Es de esperar que en los próximos años se tenga un
conocimiento más completo de los mecanismos empleados y del significado bio-
lógico de este complejo proceso de síntesis de los ARNm en las células eucariontes.
Inhibidores de la transcripción
Pudieran considerarse 2 tipos de inhibidores: los que impiden la separación de las
cadenas del ADN, que por lo general son también inhihidores de la replicación, y los que
actúan de forma directa sobre las polimerasas. Los primeros ya fueron tratados en el
capítulo 25. Entre los segundos se encuentra el antibiótico rifampicina, que actúa
sobre la
ARN
polimerasa, impidiendo la fase de iniciación. Una sustancia conocida
como u-amanitina inhibe la síntesis de ARN en eucariontes por actuar sobre la ARN
polimerasa ii. Además de sus acciones terapéuticw por locual serían ya nificientemen-
te importantes, estos inhibidores son de inapreciable valor en el laboratorio, pues su uso
hapermitidoesclarecer muchosaspectos de estos complejos procesos (Fig. 27.24).
Componentes celulares y Cknetica molecular 493

125. CH, CH,
Fig. 27.24. Inliihidores de la transcripción.
En la figura sc muestra la cstrui-
tura química de la rifanipiiina
B, uno de los inhihidures de la
transcripción más empicado en
las investigaciones sobre este
tema.
La a-amanitina
perniite
diferenciar las
3
palimcraaas de
eucariontes. pura la I u resis-
tente
a su acción, la
111 se inhibe
poro, pero la 11 es inhibida de
manera intensa por esta sustancia.
Rifamicina B
1
o =
I
C-C-N-C-C -N-C-CH,- N-H
a- Amanitina
Resumen
La transcripción es el proceso central en el crecimiento y desarrollo de la
célula, en la cual la información genética contenida en el ADN se copia en un ARN
especíñco, ribwmal, de transferencia o mensdero. El desarrollo técnico alcanza-
do en los Úitimos años ha permitido obtener
una visión comprensible, en principio,
de este fenómeno.
Lea precursores de la transcripción son los nucleósidos iri-
fosfatados que son Unidos mediante enlace fosfodiéster 3 ' -5 ' , por acción de la
ARN polimerasa, según la secuencia de bases de una hebra del ADN.
En los proeariontes -especialmente en
la E.
coi& una sola enzima es eapaz de
reaüzar todo el procmo, ésta es
una proteína
oligomérica a la cual se unen otras
subunidades en diferentes fases del evento. Para comenzar la transcripción la
polimerasa debe unhe íntimamente al promotor y lograr la aperinra de la doble
hebra del ADN, en este paso la subunidad
a es fundamental; luego comienza la
incorporación de los
ribonueleósidos trifosfatados cnyas bases son complementa-
rias a
las del ADN; la proteína NusA impide la terminación prematura de la cadena.
La terminación se produce gracias a
una
señal especíñca en el ADN, aunque en
ocasiones la proteína Rho determina
el
me de la síntes'i, sin que al parecer existan

126. señales para ello. Despuk de terminada la síntesis comienza el profeso de madura-
ción.
Los ARNm no sufren
modiñcaciones, pero los ARNr y ARNt se sintetizan en
forma de prenirsores de gran tamaño, quedeben ser acortados hasta alcanzar su
forma deñnitiva
En los euuuiontes existen 3 tipos de ARN polimerasa: el tipo 1 es del nucléolo
y rraliza la síntesis de los ARNr; los 11 y iii son del nucleoplasma y llevan a cabo la
síntesis de los ARNm, la primera, y de los ARNt y el ARNr de 5 S, la segunda.
Los ARNr derivan de un transerito primario de 45 S, que es metilado en bases
y ribosas de uucleótidos especíñeos y acortado
hasta su tamaño
deñnitivo. Es m-
nasa que en el ARNr de 5 S, la señal que promueve la transcripción es intragénica.
Los ARNt también se originan de un precursor mayor; en su procesamiento se
incluyen la redueeión del tamaño, la eliminación de intrones, la adición del extre-
mo CCA-OH y la modiñcación de Las bases nitrogenadas. Como en el caso de los
ARNr de
5 S, las
sesales promotoras son intragénicas. Los ARNm se sinteíizan por
la polimerasa U a partir de una unidad de transcripción, simple o compleja. El
promotor se encuentra fuera del gen y en él existen varias secuencias necesa-
rias para la transcripción. El proceso de copia incluye tanto los exoues como
los intrones. La señal de terminación -si existe- no ha sido aún identificada. La
maduración consiste en la modificación del extremo
5
' -P por un nucleótido de
guanina metilada (Cap); la transformación del extremo
3
' -OH, en una larga
cola de adeniua -poli(A)- y en el corte y empalme de la cadena para la elimina-
ción de los intrones. Se ha comprobado que una misma unidad de traoseripción
puede originar
varios tipos de ARNm maduros por diferencias en la maduración.
Un hecho hte-te lo constituye el hallazgo de que algunos tipos de talasemia
se deben a trastonios en el profeso de maduración de los ARNm de
la
globina.
Ejercicios
1. Para hacer una experiencia de transcripción in vitro se sintetizan artificialmente 3
polidesoxinucleótidos con la siguiente estructura:
a) TGTTGACA 18 bases AATATTG
b) TGTTGACA
16 bases TTTATAG c) TGTTGACA
17 bases TATAAAG
¿Puede usted determinar cuál de ellos funcionará como el promotor más fuerte
y
cuál como el más débil? Argumente su respuesta.
2. En una
exoeriencia donde se oretendía investigar el oroceso de trauscrioción. se -
añadió al sistema rifampicina y se vio que la iniciación quedaba bloqueada. Si se
;úiadía estreptoligidina ocurría la iniciación, pero quedaba bloqueada la elongación
¿Cuáles serían las conclusiones que este experimento aporta sobre el mecanismo
molecular de la transcripción?
3. En un experimento posterior se comprobó que la rifampicina se
unía fuertemente a
la subunidad p ' de la polimerasa y que la estreptoligidina se asociaba con la
subunidad p ;Cuáles serían las conclusiones más importantes de estos experimen-
tos con respecto al mecanismo de acción de la ARN polimerasa?
4. ¿Qué consecuencias traería para la transcripción una alteración de la proteína NusA
quedisminuyera su afinidad por el núcleo de la polimerasa?
5.
¿Cuál es la característica más sobresaliente de la transcripción realizada por la ARN
poümerasa iü ?
6. La cordicepina inhibe la acción de la poli(A) polimerasa. ¿Qué consecuencias
pudiera tener su acción sobre las células prowriontas
y
eucarioutas? Argumente su
respuesta.
Componentes
celuiates y Genetica molecuiar 495

127. Fig. 16.11. Mecanismo de la inhihiciún com-
petitiva.
La
similihid estructuraldel
inhibidor
con
cl sustralo hace que
aquél pueda unirse al centra acti-
vo, pero sus diferencias le impi-
den
la transformación. La enzima auccinato-deshidrogenasa une al
ácido sucrinico y actúa sobre los
hidrógenos colocados eii carbonos
adyacentes. Cuando el ácida
malónieo, que tiene una estructu-
ra similar, se une al centro activo
de la enzima produce
una inhibi-
ción, pues
no puede ser
transfar-
mado, quedando unida
al centro
activo y, por tanto, impide
la en-
trada y transformación del
sustrato
verdadero.
Nótese que parte de la enzima se encuentra en forma de complejo
E1 que no da
producto, pues no puede unir al sustrato, lo que significa que existe una disminución
del número de centros activosútiles y, por tanto, una menor velocidad de la reacción.
Una característica de los inhibidores competitivos es quesu estructura es semejan-
te a la del sustrato. En la figura
16.11 se muestra cómo la succinato desbidrogenasa
puede ser inhihida de forma competitiva por el malonato, cuya estructura es muy
similar a
ladel succinato, que es el sustrato naturaldela enzima.
Wbieióo no competitiva
, .
disminuye de alyna forma la capacidad catalítica de la enzima. Se acepta que la unión
enzima-inhibidor se produce en un sitio diferente del centro activo
y que esa unión
En la figura
16.12 al igual
que en el caso anterior semuestran además los resulta-
I
- dos del experimento sin el inhibidor.
, "M
1 . -
1
-
~d 1%
Fig. 16.12. Inhihidares no competitivas. El
inhibidor no competitivo no se alo-
ja en el centro activo y no puede
impedir la entrada delsustrala,pera
de alguna forma dificulta
su trans-
formación;
en
supreaencialaseur-
vas que se obtienen difieren en el
valor de INm, pero no alteran el
valor de -1lKm. Variaciones
en la
concentración del inhibidor dan
origen
a una familia de
curvas que
se cortan en el eje de las abeisas en
el punta -I/Km.
Y"
I
7
VM
,
modifica las propiedades catalíticas de la enzima, posiblemente modificando la con-
formación del centro activo de forma que no impide la unión del sustrato pero dificul-
ta grandementesu transformación.
El esquema de la reacción con la participación de un inhibidor no competitivo será
,'
Los efectos de este inhibidor sobre los parámetros cinéticos son contrarios al
~/' anterior, se observa una disminución de la Vm sin alteraciones de la Km; ni siquiera en
,/ ,
concentraciones elevadísimas de snstrato se logra eliminar la inhibición.
.S" , "
,!
,'
Si la Km no se ha modificado quiere decir que no existe impedimento para la
-':, unión de la enzima con el sustrato. oero la afectación de la Vm indica aue el inhibidor
E + S +ES+ E + P
E +IdEI
ES + 1 + EIS
E1 + S + EIS
La enzima existe en un estado libre y en forma de varios complejos (EI, ES y EIS)
de los cuales sólo ES da productos. Si suponemos que la unión de S a la enzima no

128. iduye sobre la unión de 1 y viceversa, entonces la constante de disociación de E1 será
igual a la de EIS y viene dada por cualquiera de las ecuaciones siguientes:
El valor aparente de Vm' que se obtiene en presencia del inhibidor se relaciona
con la Vm de la reacción sin el inhibidor por la ecuación
[Il
~m' = Vm. (1+ -)
Ki
En este caso también la enzima existe en forma de varios complejos de los cuales
sólo ES puede dar productos, pero no existe ningún impedimento para la unión con el
sustrato; la existencia de esos complejos determina una disminución del número de
centros activos útiles en la preparación
y, por tanto, una disminución de la velocidad
de reacción.
Los inhibidores no competitivos no son análogos estructurales del sustrato; el
iodoacetato es un potente inhibidor no competitivo de las enzimas que poseen grupos
sulfibidrilos en, o cerca de, su centro activo.
Algunos medicamentos utilizados diariamente en la práctica médica son
inhibidores ennmáticos, como el caso de las sulfamidas que se emplea en el tratamien-
to de infecciones bacterianas.
En general las armas químicas suelen ser también inhibidores enzimáticos que al
bloquear determinadas reacciones puedeu dañar un órgano o tejido específico. si la
enzima que resulta inhibida está presente sólo en él, o al organismo en su totalidad si
la enzima inbibida está muy distribuida en la economía.
La lucha contra la producción, almacenamiento
y utilización de las
armas quími-
cas debe constituir una posición de principio de todo científico, pues es parte del
comportamiento ético impedir el uso de los avances de la ciencia en perjuicio de la
humanidad.
Resumen
La
einética enzimstica es la parte de la enzimologh que se ocupa del estudio de
la velocidad de las reacciones enzimáüeas v de las factores aue la modiscan.
En los eshidias ein6üeos se deben obsekar algunas reglas que permitan hacer
una interpretación ademada de las resuliadas, wmo son medir siempre veldda-
des ini&es y variar en cada experimento sólo uno de las factores que pueden
alterar la velocidad. Los principales factores que iníinyen sobre la velocidad de la
reaeO6n son las concentraciones de etuimas, mistraios y wfactores, la temperatu-
ra, el pH y la presencia de activadores o inhibidores.
La velocidad de las reacciones enzimátieas es diredamente proporcional a la
wnceniración de enzima, lo cnal consütuye el tundamento de toda la cinética
enzimática. La wncentración de sustrato innuye sobre
la velocidad de forma muy
característica. A medida que la
wncentraci6n de mistrato aumenta se produce un
aumento de la velddad, pero en concentraciones muy elevadas de mistrato se
produce un estado de saturación de la enzima que no permite mayores incrementas
de velocidad.
Para explicar este comportamiento se emplea la teoría
deMiehaellis-
Menten, según la cnal bastan 2 parámetms para explicarlo, uno, la Km define la

129. -dad de la enzima por el sustrato y el otm, Vm es un indicador de la capacidad
cataüoca de la emima
Cuando en la reaceión intervienen
2
susiratos, uno de los mpeetos más impor-
tantes que se debe determinar es
el orden en que se
iigsn lm sustratos y se liberan los
productos. Atendiendo a
este punto de vista se describen los
mecanismos ordena-
dos,
los
azarow y el ping pong.
La inilueneis de la mncentraeión de los whctores es similar a la del sustrato.
La velocidad varia con el pH y existe una wna de pH ópümo donde la veloci-
dad es
la mayor.
Variaciones del pH en ambas lados de esta wna determinan una
disminución de la velddad.
Al aumentar la temperahva la velocidad de reaeeión aumenta, pero pasado un
limite comienza a disminuir, pues se producen alteraciones de la estructura
. .
tridimensonal de la emha.
Los activadores producen un aumento de la velddad de la reacción, se distin-
guen 2 principales, aquélios que se unen a la enzima libre y los que se unen al
nishsto. Por su
parte los
inhibidores disminuyen la velocidad de la reacción, bien
porque modiñean la Km, en cuyo caso son de tipo competitivo, o por alteraciones
de
la
Vm, que reciben el nombre de no competitivos.
Los eshidios einéticm son importantes para el conocimiento del meraniSrno de
ad6n de las enzimas, con el propósito de conwerio y modifi~~rlo. Muchos medi-
eamentos y algunas armas químicas suelen ser bbibidores enzimáticos espeáfim.
Ejercicios
1. ¿Cuáles son las razones por las que en los estudios cinéticos debe siempre medirse
velocidades iniciales?
2. En una experiencia
cinética se observa que al aumentarla concentración de enzima
no se produce el esperado aumento proporcional de la velocidad. ¿A qué factores
pueden deberse estos resultados?
3. Si 2
enzimas actúan sobre el mismosustrato con Km de 4 x 10" v 7 x 10." resuec- , .
tivamente ¿Qué conclusiones pueden derivarse deestos valores?
4. Calcule el número de recambio de una enzima que al estar en una concentración de
10" M forma 3 x 10.' M del producto en un segundo.
5. Una enzima cataliza la reacción:
Alanina ------, Etanolamina + Co,
en un experimento realizado a pH=8 y a 30 "C se obtienen los datos siguientes:
V" (pmol de CO, min-')
Calcule la Km para la reacción

130. 6. En el estudio de la reacción:
L-aspártico -, L-ala + Co,
se encontró que el P-hidroxi-aspártico era un inhibidor de la enzima. Al tratar de
determinar qué tipo de inhibidor era se obtuvieron los datos siguientes:
[L-aspárticol vo (mmol de
CO,
min-') (mg de proteína)-'
mmol 1.'
sin inhibidor con inhibidor
Constmya una gráfica de l/vu vslI[S] y determine de qué tipo de inhibidor se trata.

131. Uno de los problemas centrales de la genética molecular consiste en conocer
cómo la información contenida en el ADN
y transcrita en
un ARNm puede dirigir la
síntesis de una cadena polipeptídica específica, o sea, cuál es la relación entre la
secuencia de bases del ARNm
y la de los aminoácidos de
una proteína; éste es el
contenido del problema del código genético.
El código genético surge como una necesidad natural, debido a las diferencias
existentes entre la estructura de las moléculas que conservan la información (ADN) y
aquéllas que la expresan en funciones específicas (proteínas). Se acostumbra decir que
esta información está en
2 lenguajes diferentes: el primero, en forma de una secuencia
de bases y el segundo, de aminoácidos. Al pasar la información del ADN al ARNm se
mantiene en el mismo
1engnaje.por lo que el proceso se denomina transcripción. Pero
al pasar del ARNm a las proteínas hay un cambio de lenguaje
y por tanto es
una
traducción. Para traducir es necesario poseer la relación de equivalencia que existe
entre los signos utilizados en un lenguaje y los empleados por el otro. En esto consiste
la necesidad del código genético.
En nuestros días la solución de este problema pudiera parecer algo muy sencillo,
pues bastaría con determinar la secuencia de bases de un gen
y la de aminoácidos de la
proteína por
él codificada
y correlacionarlas, pero esto no
fue posible en los primeros
años de la década de los 60 cuando se enfrentó la solución de este problema. Los
métodos
dedeterminación de la estructura primaria de las proteína estahan ya estable-
cidos desde el trabajo de Sanger con la insulina (1956) pero los procedimientos que
permitieron hacer lo mismo con el ADN, con un elevado grado de fidelidad, no apare-
cen hasta finales
de la década de los 70 cuando el código ya había sido descifrado.
Este estudio comenzará por
un esbozo de los trabajos fundamentales para desci-
frar el código genético y después se realizará un análisis y se destacarán sus caracterís-
ticas principales. Desde el punto de vista bioquímico el código se define como la
relación de equivalencia entre la secuencia de bases del ARNm
y la secuencia de
aminoácidos de la proteína.
Primeros pasos
El problema del código
genético fue formulado por primera vez por GwrgeGamour
en 1953, y en su solución participaron numerosos investigadores, empleando funda-
mentalmente métodos químicos
y biológicos.

132. (;IIIIIOII WPU~II que la cadnia polipeptídira ce forma directamente $obre la doble
h6lire del 4DN. estando rada aniinoúcido situado rn un hueco rntrc 4 nucleútidoc:
este hueco tendría aproximadamente la forma de un rombo. Dos nucleótidos pertene-
cían a una banda y 2 a la otra. El «código de rombos rojos» de Gamowasegura preci-
samente las 20 letras, pues como utiliza
4 bases da origen a
(4') 256 combinaciones; no
obstante, esta forma de codificación directa imponía algunas Limitaciones a la secuen-
cia de aminoácidos de la proteína, esto quiere decir que una vez fijado un aminoácido,
el siguiente no podía ser cualquiera de los 20, sino un número muy reducido de ellos.
Sin embargo, las investigaciones demostraron que tal limitación no existía en las
proteínas, cuyas secuencias de aminoácidos eran conocidas.
El descubrimiento de quela síntesis de proteínas se realizaba en una estructura
citoplasmática (los ribosomas) y la existencia de los ARNm rechazaron definitivamen-
te la hipótesis de Gamow.
Por razonamientos teóricos se estableció la relación de codificación -que se com-
probó después experimentalmente-, o sea, cuántas bases son necesarias para codificar
un aminoácido. Como el lenguaje del ARNm sólo tiene 4 letras (A,
U, G,
C) y el de las
proteínas 20, la relación no podía ser 1:1, pues las proteínas constarían de 4
aminoácidos; si fueran 2 las bases alcanzaría para (4'=16) 16 aminoácidos; pero con 3
bases (4L64), el número de combinaciones era mayor que el número de aminoácidos,
por lo que qurdú est;il~lrcid~~ que a cada aiiiinoátid~~ en la proteína le correspondían
3
bases en el
4RSm. la relación de codificación ei 3:l. I.:ste triulete dr hase*;. uor ser la
, . . .
unidad de codificación, recibió el nombre de codon.
Teniendo en cuenta que son posibles 64 combinaciones de bases y que sólo 20
aminoácidos diferentes se incorporan en la síntesis de proteínas,se deduce que al menos
para algunos aminoácidos existe más de un codon, o sea, el código
es degenerado. Los
codones que se traducen en el mismo aminoácido reciben el nombre de sinónimos.
Otra consideración importante se refiere a la forma en que el ARNm es traducido,
si el código es o no superpuesto. Si el código no es superpuesto cada base nitrogenada
formará parte de
un solo
don, mientras que si fuera superpuesto formaría parte de más
de uno:
3. UAG14GCIGCCKCUKUUFnrAPAGkGCMCl Superpuesto
Esta alternativa pudo resolverse teniendo en cuenta que se conocía la secuencia
de aminoácidos de algunas proteínas. Si el código fuera superpuesto, un cambio en
una base ocasionaría el cambio de más de un aminoácido continuo en la proteína. Sin
embargo eran conocidas algunas proteínas en las cuales sólo se producía el cambio de
un aminoácido por otro, lo que implica que el código no es superpuesto.
Las 3 primeras características del código fueron: que estaba formado por tripletes
(codones), éstos no eran superpuestos y que el código tenía carácter degenerado.
Descifrado del código
Los primeros experimentos encaminados a descifrar el código fueron realizados
por MarshallNirembergy Heinrich Matheien 1961. Ellos tuvieron
un éxito inicial al
conseguir un extracto
celularcutable que sintetiraba pn~teínat activamente, logra-
run dirinir la sintesis de un oo1ioi.otid11 oor traducción de un u~~lirril>onucleútid~~ . ..
sintético que actuaba como ARNm (Fig. 28.1).
Este sistema fue útil no sólo en la dilucidación del código genético, sino también
para esclarecer muchos aspectos relacionados con el mecanismode síntesis de proteínas.
Los
polinucleótidos se sintehn uolizando una enzima - pokueleóodo fosforilasa-,
descubieka en 19.55 por Maiianne Grumberg-Managoy Sevem Ochoa. Esta enzima se
diferencia notablemrntrde la SR\; polinier~w, pues utili7a rmni,suctratus lus nuclcíkid~n
difi*ifatad~m: como nolibera oimtififat~~ suaccii~n nu orwrmaiuulada ala hidrólishde
éste, y lo m& importante es que esta enzima no es di&¡& por un molde de ADN, por lo
que la secuencia del polinucleótido es al azar dictada por la proporción relativa de los
diferentes nucleósidos difosfatos presentes en la mezcla de reacción.

133. Fig. 28.1. Obteiieión de extractos celulares
sintetizadores de proteínas. Las
bacterias son lrituradas con
Fosfoenol Piluvillo
Piruvato Quiiiasa
Buffer pH= 7.8
poli (U)
aluminacomo ahrnsi\o y SP le aña-
dc desoairi-ihonucleasa que. al
hidrolizar CI DN, eiita que en el
extracto pueda aparecer ARNni
cndógeno. Uiia primcra ientrifu-
gacih a haja velocidad eliniina la
alumina ) los restos reliiliires que
no estan bieii Iionmgeneizn<liis.
Una segunda centrifugaiióii a
30 U00 g sii.\c para eliminar
membranas y paredes cclularrs,
lo que deja un sol>i.ea~dante cl cual
se denniiiinó S-30 (sol>i'enadante
de 30 000 gi ron el qisc Sr realiza-
ron los prinicrus expcriiiieittos. Una
tercera rentrifugaiión a 100 OOU g
permite separar los rihasomas, y a
El procedimiento consistíaen preparar unconjunto de tubos de ensayo,de com-
partir del sohrenadante S.lo0 se
~osición similar, en cada uno de los cuales se añadía un aminoácido diferente marcado ~iwdrii ohtmei- 10s AKNt p las
con '"C. eiizitiias aiti\adoi.as. El prcpara-
Cuando al sistema se le añadía poliuridina se obtenía la formación de
do S-100 sr utilizb en experinicn-
(0s posteriores.
polifenilalanina. Se logró de esta manera descifrar la primera palabra del código: el
codon UUU significa fenilalanina (Fen).
Por un procedimiento similar
se pudieron asignar otras 2 palabras: el CCC para la
prolina (Pro)
y el AAA para la
lisina (Lis). Los polímeros de poliguanosina no pudieron
emplearse porque forman una compleja estructura tricatenaria que no sirve de matriz
para la traducción.
La etapa siguiente consistió en determinar la composición -no la secuencia- de
los demás tripletes. Si la enzima polinucleótido fosforilasa se incuba con UDP, el
resultado por supuesto es el poli
U. Si se incuba con UDP y GDP se obtiene un
copolímero que contiene
U y G. La secuencia de bases es azarosa, pero controlando la
proporción de nucleótidos se puede calcular la frecuencia con
que deben producirse
cada uno de los codones. La tabla
28.1. muestra los resultados obtenidos en un
polinucleótido preparado a partir de
una mezcla que contenía
76 % de U y 24 % de G.
T~MP 281. Frecuencia relativa de tripletes de bases obtenidas al controlar la propor-
ción de cada una en la mezcla de reacción
Triplete Probabilidad Frecuencia
-
UUU
UUG
UGU
GUU
UGG
GUG
GGU
GGG 0,24 x 0,24 x 0,24 = 0,012 3J
Nota: Aparecen 4 clases de frecuencias para los 8 rodoncs posibles.
componentes celulares y GenCtica molecular 499

134. Si se utiliza este polímero en un sistema como el descrito anteriormente, con 20
tubos de ensayo que contengan los 20 aminoácidos, pero sólo uno de ellos marcado
con "C, se puede medir la frecuencia con que cada aminoácido se incorpora al
polipéptido que se sintetiza (tabla 28.2).
Tabla 28.2.
Coniposición de los codones según la frecuencia de incorporación de los
aminoácidos
--
Aminoácido Cantidad incorporada Composición del codon
Fen
Val
Len
CsS
m
Gli
La comparación de los 2 resultados sugiere que los codones correspondientes a la
valina (Val), cisteína (Cis) y leucina (Len) contienen 2 U y
1 G, mientras
que los del
triptófano (Trp) y glicina (Gli) tienen
2 G y 1 U.
Por variaciones en la composición del polímero se lograron otras combinaciones
hasta determinar todos los codones que contenían
U, después se procedió de igual
forma para los
que contenían
C y por último, los que tenían A. Los de G no se determi-
naron por las razones expuestas.
Mediante este procedimiento se pudo conocer la composición (no la secuencia)
de aproximadamente 50 codones.
Otros experimentos de gran relevancia fueron realizados para asignar los codones
que faltaban y para comprobar los existentes.
Una nuevalínea experimental fue asumida por Nirembergy otros. En
1964~ cono-
cía que algunos polinucleótidos sintéticos estimulaban la unión de los ARNt con sus
aminoácidos correspondientes y los ribosomas, este complejo de
3 componentes podía
ser identificado por el método de
nltracentrifugación, en un gradiente de densidad de
sarnosa Desafortnnadamente este método de análisis era demasiado laboiiaw; Niremberg
y otros diseñaron una forma ingeniosa
y rápida de aislar el
aminoacil-ARNt unido al
ribosoma y al ARNm, utilizando un filtro de nitrocelulosa. Los ribosomas quedaban
adheridos al filtro, sin embargo, los aminoacil-ARNt pasaban por el filtro fácilmente,
excepto que estnneran unidos a los ribosomas. En particular Nirembergy PhiUpLeder
(1964) fueron capaces de inducir launión de Fen-ARNt
al
ribosoma, utilizando poli U sin
otro homopolímero, el complejo formado fue retenido en el filtro de nitrocelulosa. La
utilización de copolimeros como ARNm sintéticos, traía por resultado la adsorción de
aminoacü-ARNt-ribosoma, cuyo aminoácido coincidía con los resultados de los experi-
mentos realizados en los sistemas libres de células. Estos experimentos también demos-
traron la ektenciade un complejo aminoácido-ARNt-ARNm-ribosoma como interme-
diario durante lasíntesis de proteínas.
Los trinucleótidos estimulaban la formación del complejo,dando una confirmación
directa del carácter de tripletes del código genético. Nirembergse dio cuenta que era más
fácil sintetizar trinucleótidos de secuencia conocida que un ARNm; su trabajo que co-
menzó con el triplete GUU correspondiente a
Val, progresó rápido, y alrededor de 50 de
los
61 codones fueron asignados directa y convincentemente por este método.
500 mhqdmaklédicd

135. Otra Línea experimental diferente siguió H. Ghobind Khorana (1966), quien com-
binando procedimientos enzimáticos y de síntesis orgánica logró la síntesis de
polinucleótidos de secuencia conocida, a partir de la polimerización de dinucleó-
tidos; uno de ellos fue el poli (AC) que produce ACACACACAC, el cual puede ser
leído en grupos de3 bases como ACAlCAClACAlCAC de manera que el polipéptido
sintetizado, tomando este polímero como ARNm, constaría de
2 aminoácidos
alternantes, que fue el siguiente:
Por los experimentos descritos anteriormente, se sabia que la composición del
codon de la treonina
(Tre) era de
2 A y 1 C y el de His de 2 C y 1 A, por lo tanto ACA
codifica para Tre y CAC para
His.
La utilización del poli(UG) producía:
Cis-Val-Cis-Val-Cis-Val
con lo que se comprobaba que UGU correspondía a la Cis,
y se asignó el GUG a la Val.
Khoranalogró también la polimerización de trinucleótidos, por ejemplo, el poli
(UAC) que puede ser leído de
3 formas diferentes: l.UACIUAC(UACILIACIUACvACvAC queoriginapolitirosina
2. ACUlCUbCUbCUbCUbCUli\.CU que codifica politreonina
3. CUA(CUA(CUA(CUA(CUArUA(CUA que forma polileucina
Experimentos como estos consiguieron no sólo determinar la secuencia de mu-
chos de los codones de composición conocida, sino además, corroborar los que habían
sido asignados por otros métodos.
Los codones que indican el final de la cadena polipeptídica y que no codifican
ningén aminoácido también fueron asignados por la utilización de polímeros de se-
cuencia conocida.
Si se utilizaba el poli(UAUC) la traducción podía comenzar en
4 sitios diferentes,
originando sólo
4 codones diferentes
(UAU, AUC, UCU y CUA) que produce la se-
cuencia alternante Tir-Leu-Ser-Ile que puede comenzar con cualquiera de ellos. Esta
situación se repetía con muchos polinucleótidos del tipo poli(MNPQ).
Cuando se ensayó el poli(GUAA) se esperaba encontrar un resultado similar, pues
éstedebe producir también 4codonesypor tanto un tetrapéptido repetido:
Sin embargo, se encontró que no se producían largos polipéptidos, sino que se
formaba sólo
2 productos: el tripéptido Val-Ser-Lis y el dipéptido Ser-Lis. A partir de

136. Fig. 28.2. El código genético casiuniversal.
Estructura actual del código
genélieo. Nótese
que
cn la mitad
izquierda predominan
los aminoácidos apolares y en la de-
rceha los palarcs; estas 2 mitades
difieren
en que la segunda base
sea
pirirnidinica a la izquierda, o
puríniea a la derecha. Ocho de las
16 casillas están ocupadas por el
mismo aminoácida, la
que signi-
fica que la
tercera base es redun-
dante. Sólo 2 aminoácidos están
codificados por un eodon cada
uno. INI se refiere al eodon de ini-
ciación
y TER a los de termina-
ción.
los codones ya asignados
(VakGUA, Ser=AGU y Lis=AGG) se pueden alinear los
péptidos con los distintos tipos de secuencia
y se obtienen los resultados siguientes:
1.GUAAGUAAGUAAGUAAGUAAGUAA
Val - Ser - Lis - ?
2.UAAGUAAGUAAGUAAGUAAGUAAG
Val - Ser - Lis - ?
3.AAG UAA GUA AGU AAG UAA GUA AGU
Lis
? 4.AGUAAGUAAGUAAGU AAGUAAGUA
Ser - Lis - ?
Lo que muestra que la síntesis se detiene en el codon anterior al UAA y esto
indicaba que éste debía una señal de terminación.
Experimentos similares mostraron que el poli(AUAG) producía sólo el tripéptido
ne-Asp-Arg y el dipéptido AS~-A~~, probando que UAG era otro codou de tdna-
ción. Por último, con poli(UGA) sólo se formaba polimetionina y poliaspártico, lo que
llevó a la conclusión aoe UGA era también un codon de terminación.
Como resultado he una broma de laboratorio a estos 3 codones se le dieron nom-
bres propios -ámbar para el UAG, ocre al UAA
y ópalo al UGA- y éstos se utilizan
comentemente en la literatura científica. Codon de iniciación
En los sistemas in vitro la síntesis de proteínas comienza en cualquiera de las
bases del polinucleótido sintético utilizado, pero in vivo esto no es así, se requiere de
un codon de iniciación. Por experimentos in vitrose ha podido determinar que el más
utilizado para ello es el AUG, aunque en muy pocos casos también el GUG; esto fue
corroborado más tarde en numerosos estudios de secuencias de ADN. Estos codones
tienen además la función de codificar aminoácidos especficos -el AUG metionina
y el
GUG
valina- para incorporarlos dentro de la cadena. En el capítulo30 se explicará
cómo la célula puede diferenciar una de otra.
Como resultado de todos estos trabajos a ñnales de 1966 el código genético había sido
descifrado completamente El
total de codones y su
signüicadoaparece en lafigura28.2.
Aunaue el códizo fue descifrado nor exoerimentos in vitro. la exactitud de la -
asignación de cada codon ha sido confirmada por análisis genéticos y bioquímicos. La
U C A G
U
-
- -
.
: c
.
2.
Fen
Fen
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
Ser
Ser
Ser
Ser
Pro
~rn
Pm
Pro
Ile
Tir
Tir
Ter
Ter
His
~i-
GIN
GIN
Tre
Cyr
CY~
Ter
Tic
.1rg
~cg
,Are
112
U
C
A
G
U
c
A
AIN
G
Ser 1 U
-

137. reciente tecnología de secnenciación del ADN ha dado la confirmación definitiva a
este problema, qne parecía un sueño casi imposible, cuando fue postulado en
1953 y
que poco
másde 10 años después quedaba totalmente resuelto.
Universalidad del cádigo
Tanto los experimentos de Niremberg como los de Khorana fueron realizados
utilizando los componentes del sistema hiosintético de proteínas de la
E.
coli, pero
después fueron realizados repetidamente utilizando bacterias, vinis, hongos,plantas y
animales, incluyendo a los mamíferos. Los resultados en todos los casos coincidieron
y llevaron a postular la universalidad del código.
Más tarde se ha encontrado que el sistema informativo de las mitocondrias presen-
ta desviaciones con respecto al código universal. Esas variaciones ya fueron estudia-
das en el capítulo 37 (tabla 37.4). Para otros organismos el código mitocondrial ofrece
otras variaciones.
Estos descubrimientos Limitaron el carácter universal del código y por ello hoy se
dice que es casi universal.
Mucho se ha escrito
y especulado sobre la forma de organización del código,
tratando de descubrir cuáles son las leyes que
subyacen en su organización. Aunque
este objetivo no parece haberse alcanzado totalmente, se han podido señalar algunas
de sus regularidades más sobresalientes.
El punto central de la atención ha sido el carácter degenerado del código. Para
32, o sea, la mitad de los codones, se tiene una degeneración completa de la tercera
base, el aminoácido queda codificado totalmente por las
2 primeras bases (por ejem-
plo,
UC codifica Ser) para los demás (con la excepción de las parejas
UGAAJGG y
AUAIAUG) la degeneración es casi completa, pues sólo requiere el carácter purínico
o pirimidínico de la tercera base. Esto se resume diciendo que los codones del tipo
XYU y XYC son siempre sinónimos al igual que los del tipo XYA y XYG, con las
excepciones mencionadas (tabla 28.3).
pbh ~83. Grupo 1 de codones, donde las 2 primeras bases son suficientes para la
codiiicación del aminoácido
X Y N Aminoácido
G
C 6 Ala
G U 5 Val
U C
5 Ser
Nota: Grupa 1. Para el cadon XYZ. Z =(A,G,C,U)
CampoacatescdularrsyOenaicamdsailiu 503

138. Teniendo esto presente se pueden agrupar los codones sólo por las 2 primeras
bases, en
2 grupos de 8 cada uno: en el primer grupo los pares XY, que codifican los
aminoácidos con independencia total de
Z y, en el segundo, los que
varían según Z sea
purínica (Pu) o pirimidínica m).
La columna n indica el número de puentes de hidrógeno que puede formar la
pareja
XY al unirse a un par complementario
(X'Y'). El valor n pudiera Uamarse grado
de complementaridad, que en el primer grupo es
6 y 5 (promedio
55) y el segundo 5 y
4 (promedio 4 5). Se puede pensar que mientras mayor sea n,menor valor tendrá la
interaccióu Z-Z', ya quela unión XY-X'Y' es suficientementeestable. E1 valor de la
tercera base será discutido nuevamente en el siguiente acápite. Estas características
han hecho suponer que el código primitivo era de sólo
2 letras y que ha evolucionado
hacia su estado
actual de 3 letras.
lhblpZ&4. Grupo 11 de codones, donde la tercera base tiene una función determinante
X Y N Aminoácido
2FRi Z=Pi
No*: Grupo 11. Para CI codan XYZ.
La secuencia de bases codifica sólo la secuencia de aminoácidos de la proteína,
pero su estructura tridimensional depende de su secuencia. Alteraciones en la secuen-
cia pueden ocasionar alteraciones en la conformación y, por lo tanto, en la función.
Como se vio en la sección de biomoléculas,en esto influye notablemente la polaridad
de la cadena
R de los aminoácidos, los de carácter hidrofóbicos son los determinantes
en el plegamiento de la cadena. La sustitución de un aminoácido
apolar por uno polar
puede causar cambios drásticos en la conformación de la proteína; alteraciones de este
tiposólo ocurren cuando existe el cambio de una purina por una pirimidina que esté
ocupando la segunda posición del codon. Los cambios en la primera base también
influyen menos en la naturalera polar
o
apolar del aminoácido codiíkado. Sin embar-
go debido al carácter degenerado del códigoes muy poco probable que esto suceda.
Si se toma como ejemplo el codon
GUG y se analizan todos los cambios posibles
y sus resultados, se verá en la figura 28.3 que de 9 cambios posibles, sólo en un caso
que afecta la segunda base, la val se cambiaría por un aminoácido polar
(glu) y, por
tanto, podría influir notablemente en la estructnra de la proteína.
En codones de otros
aminoácidos hidrofóbicos
estoes menos evidente,pero en general 2de cada 3 cambios
no producen alteraciones en el carácter hidrofóbico del residuo de aminoácido.

139. No obstante, lo dicho anteriormente, en ocasiones existen aminoácidos que son
tan vaiiosos en la estructura de la proteína, que no admiten ser cambiados por ningún
otro aunque éste sea muy semejante, por ejemplo, un aminoácido cuya cadena R
aporte el grupo catalítico al centro activo de una enzima.
Una vez conocido el código genético, o sea, la relación entre la secuencia de bases
del ARNm y la de aminoácidos de las proteínas, es necesario conocer cómo se realiza
el proceso de descodificación,cómose lograla conversión de un lenguaje en otro. Al
estudio detallado de los mecanismos de este proceso está dedicada el capítulo 30.
Ahora sólo se estudiará brevemente el fundamento del proceso de descodificación.
Para poder descifrar el código hace falta otro tipo de ARN llamado de transferen-
cia y cuya estructura fue estudiada en la sección de biomoléculas. Es necesario recor-
dar que en estas moléculas existen 2 sitios bien definidos que ocupan los extremos de
la estructura de la aL». En uno de ellos (el extremo 3 ' -OH) se encuentra el triplete
5 ' XCA-3 ' a cuyo 3 -OH se une un aminoácido específico; en el otro extremo se
encuentra el asa anticodon con su secuencia característica 5
'
---Pi--U--XYZ--
Pu(modificada)--3 ' ,donde XYZ representa el anticodon. Es este triplete el que se une
al codon del ARNm durante la traducción, por la formación de pares de bases
complementarias. Por ejemplo, si el anticodon tiene la secuencia
5
' -- AAA-3 ' su
codon complementario será el UUü. A este tipo de ARNt se unirá por el extremo 3 ' -0H
el aminoácido feuilalanina. Si el anticodon fuera
5 '
--GGG-3 ' se complementaría
con el codon
5
' --CCC-3 ' y el ARNt llevaría en el extremo 3 ' -OH a la prolina. La
reacción de unión del aminoácido al ARNt correspondiente se estudiará con más
detalles en el capítulo
30.
Teniendo en cuenta que existen 61 codones que codifican aminoácidos,
cahría
suponer la existencia de 61 tipos de ARNt con sus anticodones correspondientes a
cada uno de los codones del ARNm. Esta idea fue sustentada inicialmente al hallar que
cuando se purificaba ARNt de la leucina (leu-ARNt) y se examinaba en un sistema
artificial de síntesis de proteínas, había una especie (leu-ARNt,) que incorporaba el
aminoácido cuando se utilizaba poli(UC), pero no al emplear poli(UG), mientras otra
especie (leu-ARNt,,) lo hacía con el segundo pero no con el primero, esto significa que
el leu- ARNt, lee el codón CUU y el leu-ARNt,,, el GUU.
Sin embargo, la idea un codon-un ARNt no prosperómucho tiempo debido a los
experimentos de Holley, quien logró establecer la secuencia completa de bases del
ala-ARNt de levadura. Esta molécula lee
3
(GCU, GCC y GCA) de los 4 codones de la
alanina. El examen de la secuencia de las zonas no apareadas mostró que en un solo
sitio había una secuencia 5
'
- -GC--3 ' por lo que esta pareja debía ser parte del
aniicodon (se debe recordar que por convención, las secuencias de los ácidos nucleicos
se escriben del extremo 5 ' al 3 ' y el apareamiento se realiza en sentido antiparalelo,
por lo que el codon
5
-- AUC-3 ' debe tener un anticodon 5'--GAU--3 ' ).
Esto implicaba que el anticodon fuera la secuencia 5 ' --IGC-- 3 ' , en la cual 1
simboliza el nucleótido raro de inosina. Como el ala-ARNt responde a los 3 codones
(GCU, GCC y GCA) entonces, la inosina no forma puentes de hidrógeno o puede
formarlos con U, C y
A. Si fuera la primera situación también leería el codon GCC, lo
cual no sucedía, por lo tanto,
1 puede formar puentes de hidrógeno, aunque no sea en la
forma de los pares habituales U-A y G-C (Fig. 28.4).
La aparición de la inosina en el aniicodon se debe a que siempre que en la primera
posición aparezca A en el transcrito primario, ésta es desaminada enzimáticamente
produciendo hipoxantina. que es la base que forma parte de la inosina.
La explicación a este fenómeno fue propuesta por Francis Crick (1965) con la
idea del acoplamiento vacilante (wobble). Hasta ese momento se creía que apareamientos
diferentes de A-U, A-T y G-C no aparecían en los ácidos nucleicos. Esto es cierto en el
Fig. 28.3. Importancia del carácter degene-
rado.
A partir del
coda" GUC se
pueden ohteiicr Y codones, cam-
hiando una sola base cada vez. Sin
embargo en 3 ocasiones el si~nifi-
cado del codoii no cambia y de las
9 posibilidades sólo en un caro sc
altera cl carácte~ polar del
aniinuácido codificado.

140. Fig. 28.4. La inosina como formadora de
pares de bases.
La
inasina (en ca-
lor) puede formar pares de bases
con la eitosina (arriba), uracilo
(centro)
y
adenina (abajo), por lo
cual
su aparición en el
anticodan
del ARNt noimpide el apareamien-
to con el codon del ARNm. La
aparición de la inasina en la pri-
mera posición del anticodon per-
mite
que varios
codonea sean lei-
das par el mismo ARNt.
ADN por las características estructurales de la molécula, como se no en la sección de biomolécnlas. Sin embargo, como el apareamiento codon-anticodon se produce entre
2
moléculas de ARN no es
necesario consemar la eshuciura regular de la doble hélice. Crick
demostró que pueden existir otros apareamientos en la interacción codon- anticodon,
pero que
esto requería en primer lugar que las 2 primeras bases
fonnaran apareamientos
típicos, para que segarantizara unaestabilidad máxima y,en segundo lugar, queel terrer
par de bases no produjera mucha distorsión como ocurre habitualmente con los pares
purina-purina, identificando como posibleslos apareamientos que aparecen en la figura
28.5.
Laposibidad deformarlos4 paresadicionalesde bases (A-1,U-1, C-1 y G-U) explica
cómo una sola molécula de ARNt puede aparearse con varios codones.
Ahora
es comprensible el caso de los
ala-ARNt de levadura. Uno deellos,estudiado
por HoUey, que tiene el anticodon IGC puede formar pares de bases con
3 de los codones
(GCU, GCC y
GCA), pues la inosina puede aparearse con U, C y A. El otro (denominado
ala-ARNt,,) sólo acopla con el codón GCG, para lo cual serían posibles
2 anticodones el
CGC y el UGC, pues G puede formar pares de bases con C y con U. Si fuera el UGC
entonces debía leer también GCG y GCA,
pero como este no es el
caso, el anticodon debía
ser CGC y lo es en realidad.
Aunqueensolución los tnnucleótidosse aparean mal,pues su tamaño no les permite
estabilizarse por las interacciones de apilamiento de bases; en el proceso de traducción
estas interacciones codon-anticodon se estabilizan debido a vanos factores:
1. Tanto elcodoncomoel
antidon forman parte de moléfulas mayom,locual permite
que la unión entreellos pueda estabilizarse por apilamiento de bases.
2. Hacia el lado 5' del
antidonsiempre hay una U,loquesugiere quedebe tener alguna
participación en la estabilización de la unión codon-anticodon.
3. El apareamiento se produce normalmente cuandoambos (ARNt y ARNm) están uni-
dos
a los
ribosomas. Es posible que esa unión haga que el codon y el anticodon se
posicionen de fonna que la estabilidad de la unión sea máxima.
Fig. 28.5. Modelo de acoplamiento vacilante. Según la hipótesis del apareamiento vacilante en la
unión del
cadon con el anticodon, pueden aparecer pares de bases que no se encuentran
normalmente en el
ADN. En cada casa el anticodon
esti en rojo y el codon en azul. La
flecha indica la dirección 5'->3'. En todas las casos sólo se representa la tercera base.
Obsérvese
que
las codones que aparecen en la misma horizontal son siempre sinónimos.
Resumen
Desde el punto de vista bioquímieo el código genético es la relación de equiva-
lencia entre la sxuencia de bases nitrogenadas de los ARNm y la secuencia de
aminoácidos de las protelnas. El don es la unidad de eodiiidn y está formado
por
3 bases, por lo que la
relaci6n de dcaci6n es 31. Cada base niirogenada del
ARNm forma parte de un solo codon, lo que quiere decir que el eódigo no es super-

141. puesto. Por lo general cada aminoácido es &cado por más de un codon, lo que
significa que el código
es degenerado.
El
deseiffado del código fue posible gracias a
2 grupos de
trabqjo principal-
mente el de Niremberg y el de Khoraoa El primero, utüizaodo un sistema Ubre de
células
y
poliaueleótidos sintéticos, como inicio, y írinucleótidos de secuencia cono-
cida, después, logró establecer la estructura de numerosos codones. El segundo,
utilizando poliaucieótidos de secuencia conocida conñrmó las asignaciones hechas
por Niremberg y estableció la secuencia de otros codones, entre eLlos, los de termi-
nación.
A
ñnales de 1966 el código estaba totalmente descifrado.
Todas las bacterias, virus, hongos, vegetales y animales utilizan el mismo códi-
go; do en
las
mitoeondrias aparecen variaciones, por lo que se considera que el
eódigo tiene
carácter
quasiuniversal.
Los máü& de la edmcúua del código Llevan a la idea de que su forma acíuai es
resultado de
un
proceso evolutivo, en el cual se ha ido ganando en seguridad. El
earáeter degenerado posibüita amplias variaciones en la secuencia de bases del ADN,
y por lo tanto del ARNm, sin modiñcar esencialmente la edmcíura primaria de las
pmieinas.
El proceso de deseodificación se Lleva a cabo en los ribosomas con la participa-
ción de los ARNt, que contienen el triplete anticodon, que al aparearse con el codon
facilitan que cada amino4cido ocupe una posición precisa en la cadena
polipeptidica. El apareamiento
se produce con mayor
fuerza en las 2 primeras
bases que en la tercera, lo que expiica que un mismo ARNt pueda leer varios codones.
Ejercicios
1. Como se observa en la figura 28.2 existen 6 codones para la Leu, Ser y Arg ¿,Cuál
será el némeromínimo de Leu- ARNt,Ser-ARNt y Arg-ARNt que debe tener una
célula para sintetizar proteínas eficientemente si todos los codones son utilizados
con la misma frecuencia?
2. El codon UAC codifica Tir y el UAG es un codon de terminación
¿Podría un
tir-ARNt aparearse al UAG
y provocar que la síntesis de la proteínacontinuara más
allá de su límite normal?
3. El codon de iniciación preferencial es el AUG,
perose ha visto que también puede
emplearse el GUG
y en ambos casos se incorpora Met
¿Pudiera explicarse esta
situación, suponiendo que un mismo ARNt pueda leer los
2 codones?
4. Los ácidos
aspáriico y glutámico ocupan la misma casilla del código, difieren sólo
en la tercera base ¿Cuáles deben ser los anticodones del asp-ARNt y el glu-ARNt
paraque en la cadena polipeptídica no pueda incorporarse uno de ellosen vez del
otro?
5. Un bioquímico afirmó haber establecido la secuencia de bases de un
Tir-ARNt
cuyoanticodon tenía la secuencia
5
' - ICA-3 ' .pero este hallazgo se puso en duda
por todos sus colegas ¿Cuáles serían las razones que hicieron poner en duda el
hallazgo anunciado?
6. Un ARNm es modificado artificialmente incluyéndole una G entre los codones 15
y 16, y se observa que el polipéptido sintetizado difiere del original en la secuencia
de aminoácidos a partir del
16; después se hace una segunda modificación al
ARNm
y se observa que ahora la secuencia de aminoácidos del polipéptido sólo
difiere del original en los aminoácidos
16,17 y 18 ¿En qué consistió la segunda
modificación? ¿Cómo se pueden explicar los 2 resultados obtenidos?
Componentes
wlulaues y Ckn6Pica moleculau s(n

142. Una vez esclarecido el aspecto informacional empleado en el proceso general de
expresión de la información genética, cabe discutir los aspectos estructurales
y
funcionales de las partículas donde ocurre el fenómeno de descodificación, cuyo
resultado es la síntesis de una molécula de proteína.
Los ribosomas fueron observados por primera vez con la ayuda del microscopio
electrónico por George
Palade, en
1955, por lo que algunos autores aún los siguen
llamando gránulos de
Palade. Con posterioridad se ha podido demostrar la presencia
deéstos en el citoplasma de todas lascélulas animales y vegetales, hongos y bacterias,
así como en algunos organelos citoplasmáticos, especialmente los cloroplastos de las
células vegetales
y las mitocondrias.
Los ribosomas son los más abundantes de los componentes celulares. En una
bacteria en fase de crecimiento activo pueden encontrarse cerca de
20000 ribosomas,
los cuales contienen aproximadamente el
10 % de las proteínas y el 80
% del ARN
celular. En eucariontes la proporción de proteínas es menor, pero mayor su número
absoluto,
y contiene la mayor parte del ARN celular.
: Los rihosomas bacterianos se encuentran unidos al
ARNm que a su vez está unido
al
ADN. En el citoplasmade los eucariontes los ribosomas están comúnmente asocia-
dos al citoesqueleto y en ocasiones a membranas del retículo endoplasmático; todo
esto significa que durante la traducción no están libres en las células, sino asociados
directa o indirectamente con alguna de las estructuras celulares.
El interés en el estudio de los ribosomas no radica sólo en su participación en la
síntesis de proteínas, sino además, en el proceso de su propia formación a partir de sus
componentes
molecnlares. También es de interés la interrelación funcional que se
establece entre sus componentes, que se manifiesta en el hecho de que, ellos por
separado, no pueden dar cuenta de ninguno de los principales eventos que tienen lugar
cuando todos están organizados en la forma adecuada.
Los avances tecnológicos alcanzados en los años que van desde mediados de la
década de los
60 basta nuestros días, han permitido comenzar a desentrañar la estruc-
tura
molecnlar de los ribosomas, la organización tridimensional
y la biogénesis, así
como han posibilitado una primera aproximación a la relación estructura-función de
estos organelos.
Este capítulo comenzará por el estudio de los rihosomas bacterianos, especial-
mente los de la
E.
coli, lo que servirá de referencia para la comparación con los de otro
origen. Los aspectos funcionales de estas partículas, sin embargo, sólo serán completa-
mente comprensibles después del estudio del capítulo siguiente.

143. Primeros indicios
La historia del conocimiento de los rihosonias se remonta al descubrimiento en
los primeros años de la década de los
50, de que la capacidad de diversos tipos
celulares para sintetizar proteínas se relacionaba con el contenido celular de ARN,
y
quelamayor proporción de éste aparecía en forma de
pequeñaspartícnlas (queenton-
ces denominaron microsomas) en el citoplasma celular; esto sugería que las partículas
debían intervenir de alguna forma en la síntesis de proteínas, pero la importancia real
de los ribosomas sólo se puso de manifiesto después de algunos años de intensa
investigación bioquímica.
El trabajo principal fue desarrollado por Paul C. Zamecnik y otros, quienes
añadían a homogenatos de hígado de rata, aminoácidos marcados con "C y ATP
como fuente de energía para lograr detectar la formación de pequeñas cantidades
de proteínas. Mediante un proceso de eliminación llegaron a establecer que va-
rios organelos celulares, entre ellos el núcleo y las mitocondrias, no eran necesa-
rios para la síntesis de proteínas, pero que los ribosomas eran esenciales. También
lograron identificar otros componentes esenciales para la síntesis de proteínas,
entre ellos, los ARNt y la enzima que une los aminoácidos a los ARNt correspon-
dientes. Estos sistemas, sin embargo, producían una escasa cantidad de proteínas.
Los avances posteriores se llevaron a cabo con los trabajos presentados por
Marshall W. Niremberg y J. Heinrich Matthaei, acerca de los sistemas libres de
células, descritos en el capítulo anterior.
A partir de ese momento se comenzó el estudio intensivo de los ribosomas, la
separación y la caracterización de sus componentes, la función de cada uno de ellos en
la traducción, el ensamblaje de la partícula y su regulación, que son los aspectos que se
tratan a continuación.
Composición
molecular
Los ribosomas de la E. colise han estudiado con mayor intensidad que los de
cualquier otro organismo;
al ser analizados en la ultracentrífuga presentan un coefi-
ciente de sedimentación de
70 S, con un peso de partícula de 2 520
kD y están consti-
tuidos por
66 % de
ARN y 34 % de proteínas.
Esta partícula puede ser disociada en
2 subunidades de tamaño desigual. La
menor presenta un coeficiente de sedimentación de
30 S, se le conoce como
subunidad
30 S, con un peso de 930
kD; está formada por una molécula de ARN
de
16 S que tiene un total de 1 541 nucleótidos, para un
pesomolecular de560 kD, lo
que representael60 % del peso de la subunidad, el 40 % restante lo constituyen 21
proteínas con un peso total de 370 kD, que se han designado S1 a S21 para indicar
que pertenecen a la subunidad menor (small, pequeño) del ribosoma.
La subunidad mayor presenta un coeficiente de sedimentación de
50 S, se le
conocecomo subunidad
50 S, con un peso de partícula de 1590
kD; está formada por
2 moléculas de ARN, una de 23 S que contiene 2 904 nucleótidos y otra de 5 S que
contiene
120 nncleótidos, que en total representan 70 % del peso de la partícula, el
30
% restante lo constituyen 31 proteínas designadas L1 a L34 (large, grande). Aun-
que se considera que hubo un error en la asignación inicial de los números a las
proteínas, aún se sigue usando la numeración del
1 al 34. El cuadro 29.1 resume
los aspectos principales de la
coinposición de los ribosomas procariontes.

144. Cuadro 29.1. Composición molecular de los ribosomas de procariontes y encariontes
Propiedad Ymcanontes Eucariontes
Subunidad mennr
Peso molecolar 0,9 x 10' l,44 x 10'
ARN 16 S 18 S
Peso molecular 0.51 x 10' 0,7 x loL
Proteínas 21 35
Pesomolecnlar 8 300 - 25 800 11 200 - 41 500
Peso total de proteínas O39 x 10" 0,74 x 106
Sedimentación 30 S 40 S
Subunidad mayor
Peso molecular 1,s x 10"
ARN tipo/peso 5 S/ 40 O00
23 S/0,98 x 10"
Peso total de ARN 1,02 x 10'
Proteínas 32
Peso molecolar 5 300 - 24 600
Peso totaide proteínas 0,78 x 10'
Sedimentación 50 S
Se ha podido establecer, tanto la secuencia de bases de los 3 ARNr como la de
aminoácidos de las
52 proteínas ribosomales. Por análisis de secuencia de ARNr de
diferentes orígenes se
han elaborado los modelos correspondientes de estructura se-
cundaria de cada uno de los ARNr de la
E. coli. En general se observa gran conserva-
ción en
la secuencia y la organización consiste en la alternancia de zonas pequeñas
apareadas
y no apareadas
(Fig. 29.1).
Fig. 29.1. Estructura secundaria del ARNr
de 5 S. Como se muestra en la fi-
gura para el ARNr de 5 S los de-
más ARNr muestran una estruetu-
ra, caracterizada por la alternancia
de zonas cortas de apareamiento y
zonas de no apareamiento también
cortas.
Componentes celulares y Genética molecuiar 511

145. En cuanto a las proteínas no parecen presentar relación estructural alguna según
su secuencia aminoacídica y sus propiedades inmunológicas. Existen 2 excepciones:
la S20 es idéntica a la L26. en el
80 % de los casos se aísla asociada a la snbunidad
menor, pero en algunos casos aparece en la mayor reflejando posiblemente que se
localiza en la zona de unión entre las 2 subunidades. La L7 difiere de la L12 sólo por
presentar un grupo
acetilo unido al grupo amino terminal. Esta proteína, designada
L7kl2, forma dímeros en solución, por lo que existen 2 dímeros por ribosoma. Todas
las demás proteínas están presentes en una copia por ribosoma, lo que significa que
todos los rihosomas de una bacteria tienen exactamente la misma composición.
Estructura
tridimensional
El modelo asimétrico es el más aceptado como conformación general del ribosoma
de la
E.
coli, en el cual la partícula 70 S aparece más o menos redondeada con un
diámetro aproximado de 23 nm.
La subunidad menor es una partícula asimétrica alargada hacia los polos, con
dimensiones aproximadas de 23 x
11 nm, ésta se presenta dividida en 2 partes
desigu'a-
les por una especie de depresión. La menor, recibe el nombre de cabeza y ocupa el
tercio superior; la mayor; se designa como base, de la cual sobresale una pequeña
porción denominada plataforma, que estáseparada de la cabeza por una hendidura. La
distribucióndel ARN y las proteínases aproximadamente concéntrica, pero no homo-
génea, pues las proteínas están hacia la periferia y el
ARN,
que tiene una disposición
en forma de
V, está hacia el centro. Este modelo
que aparece representado en la figura
29.2 (a) hasido confirmado con numerosas pruebas experimentales.
La snbunidad mayor consiste en un cuerpo principal de forma hemisférica con un
diámetro aproximadode 23nm que tiene3 protuberancias que difieren en su forma y
tamaño: una protuberancia central redondeada y 2 laterales; una de ellas tiene forma
de varilla y contiene las proteínas L7/L12 y se extiendede
8 a 12 nm haciaun lado de
la partícula; la
protuberaiicia del lado opuesto es más bien redondeada y se caracteriza
por la presenciadela proteína
Ll. En una proyección perpendicular a la protuberancia
L7/L12 aparece una muesca o depresión en la superficie de la partícula. Ladistribu-
ción de los
ARN (hacia dentro) y las proteínas (hacia afuera) es más homogénea que en
la subunidad
30 S; sus rasgos esenciales se recogen en la figura 29.2
(b).
En el rihosoma 70.9 lasubunidad menor está colocada asimétricamentesobre la
mayor,lo que permite que la plataformade la
30 S
entreen contacto con la subunidad
50
S, ya que la depresión entre la cabeza y la base de la subunidad menor queda
alineada con la muesca de la suhunidad mayor como se representa en la
tigura 29.2 (c).
Localización de los componentm
Muchas de las proteínas y algunas wnas de los ARNr, que componen los ribosomas,
han sido localizadas mediante diferentes procedimientos de los cuales los de mejor
resultado han sido los métodos inmunológicos asociados con la niicroscopia electróni-
ca, la dispersión neulrónica y la formación de enlaces cruzados.
A continuación se
expone una versión simplificada de cada uno de ellos, sus especificaciones, así como
algunos de los resultados obtenidos.
Para el primero se procede de la siguiente forma: se obtienen las proteínas
ribosomales,se aislan y purifican,después cad'a una de ellas por separado se utiliza,
mediante métodos de inmunizacibn, para obtener anticuerpos específicos para cada
una delas proteínas ribosomales.
A una suspensión de ribosomasse le añade un anti-
cuerpo específico contra una de
sus proteínas y después de dejar que la reacción
antígeno-anticuerpo se lleve a cabo,
ia muestra se prepara para su observación por
microscopio electrónico. Las microfotografias muestran la posición del anticuerpo

147. El método dediFpemión neuhónica permitegtudiar la estnictura interna del ribosoma
Si una bacteria se hace crecer en un niedio que contenga agua pesada \que contiene
driiterio. isíotopu pkwdu del Iiidrúgcnu > lJ,O),sus protein&\ilas ribusi>malr) conlen-
drán el isótopo. Se procede entoncesa reali&la reconstnicción del ribosoma, utüizando
proteínas ligeras (que contienen hidrógeno) combinadas con 2 proteínas pesadas (que
contienen denterio). Una vez reconstmidos los ribosomas, se les hace incidir un haz de
neutrones que
al atravesar la partícula se dispersa. El ángulo de dispersión es diferente
parael hidrógeno
y
paraeldeuterio,sisemidesepuededetenninaraqué&tanciaestán
las proteínas pesadas dentro del ribosoma. Repitiendo la experiencia wn okas proteínas
se puede ir ubicando la posición relativa de cada una de ellas. (Fig. 29.4).
Fig. 29.4. Resultados de la dispersión
neutrónica. Se muestra erqueniá-
tieanientc 1"s resultados del m&>-
du dc dispersión neutrónica apli-
cado
a la suhunidad 30 S del nhosoma de la E. ceoli.
La formación de enlaces cruzados se realiza tratando los rihosomas con algún
reactivo que pueda formar enlaces covalentes entre grupos cercanos (el más empleado
es el 2-imino- tiolano); después las partículas son disociadas en sus componentes
y por
métodos electroforéticos se
identifican los componentes que resultaron unidos por el
agente entreemzador. Este método permite conocer las moléculas que están más próxi-
mas unas aotras. Variandolas características del reactivo se pnede aumentar la distan-
cia entre las proteínas qne resultan unidas. Por métodos similares puede conocerse la
disposición de diferentes sectores de los ARNr; este procedimiento ha sido de suma
importancia para cnnocer las moléculas que se encuentran ubicadas en la superficie de
contacto entre las 2 subunidades (Fig. 29.5).
Fig. 29.5. Resultado de los experimentos de
cntreiruzamicnto. A partir de los
resultados obtenidos
con los reactivos de entrecruzamiento se
ha construido este esquema de la
suhunidad mayar del ribosonia de
la E. crili. Nótese las amplias rela-
ciones estructurales de la proteína
1.2 y las escasas de L9 y L25.

148. Utilizando estos 3 procedimientos se ha podido localizar la posición de muchas
proteínas en las
2
subunidades y además algiinos sitios funcionales, por lo que se ha
podido determinar que las proteínas
S3, S7,
S10, S14 y S19 están en la zona de la
cabeza;
S4,
SS, S8 y S12 en la depresión que separa la cabeza de la base, y S6 y S11 en
la plataforma. La protuberancia central contiene la L18 y los 2 extremos del ARN 5 S,
las 4 moléculas de L7L12 están en la rama de la derecha y la L1 y L9 en la cresta de la
izquierda.
Por procedimientos diferentes se han podido conocer algunas de las zonas de
interacción entre los ARNr y las proteínas (Fig. 29.6).
Extremo 3'iicl5S
Extremo 3del 23s
Dominios funcionales
Los ribosomas de todos los organismos presentan en general 2 regiones funciona-
les: la traduccional
y la de salida o
secrecibn; ubicadas en lugares opuestos. El domi-
nio traduccional incluye la cabeza y la plataforma de lasubunidad menor, asícomo la
protuberancia central
y
las laterales de la subunidad mayor; es en este dominio donde
han sido localizados varios sitios funcionales (Fig. 29.7).
Fig. 29.6. Laralizaiiún de los ARNr. Se
muestran algunos sectores de los
ARNr
que han sido localizados por
diferentes procedimientos
en la
suhimidad menor (izquierda)
y la
mayor (derecha) del
fibosoma de
la
E.
coli.
Fig. 29.7. I>oiiiinios en el ribosenia. Los
ribosoinas presentan 2 dominios
distinguibles: d traduciiunal que
aparece en la parte supcrior de la
línea disrontinua y el de salida o
secreción que aparece en la infe-
rior.
La figura muestra la
iinión al
dominio traduecianal de los ARNt
y proteínas que intrrviencn en la
traducción (P), así como d domi-
nio
de secreción unido a
menihra-
nos celulares hacia donde está sa-
liendo el polipGptido recién sinte-
tizado.
El
ARNm~re representa en
rojo.
Componenoes celulares y Gen6tica molecuiar 515

149. Durante la traducción existe una especialización funcional de las 2 subunidades,
mientras en la de
30 S se produce el reconocimiento codon-anticodon, en la subunidad
50 S es donde se produce el enlace
peptídico que unirá los aminoácidos durante la
síntesis de las proteínas. Para la actividad ribosomal es necesario que las
2 subunidades
se encuentren unidas, pues la unión de ellas permitela formación de los sitios funcio-
nales del ribosoma como el
P o peptidil, el A o aminoacil
y el E o de salida. La función
de estos sitios en la síntesis de proteínas se estudiará en el capítulo siguiente.
El sitio de unión de los
aminoacil-ARNt está localizado en la zona de lacabezade
la subunidad
30 S donde se ubican las proteínas S3,
S10, S14 y S19, así como las S4,
S5,S8 y S12. En esta misma zonaesdondese unen otras proteínas queson necesarias
durante el proceso de traducción (capítulo 30), también se encuentran los sitios de
unión
a los factores de iniciación 1,2 y 3, y los factores de elongación FE-Tu y FE-G
(Fig.
29.8).
FE-Tu FE-G
l 1 FI- 1.2.3.
Fig. 29.8. 1,ocalizaciiin de interaeeión con
proteínas no rihosomales. Se re-
presenta la
zona de
interardón de
la subunidad menor ion algunas
proteínas
no
rihosomales que par-
ticipan
en la iniciación de la
tra-
dueeiiin. Para
una
explicaciiin más
detallada ver el rapitulo siguiente.
Diferentes experimentos indican que la proteína S11 participa en el reconoci-
miento codon-anticodon, luego este evento ocurre en la plataforma que es donde se
localiza dicha proteína. El extremo
3'-OH del ARNr de 16 S interactúa durante la
iniciación de la traducción con el extremo 5'-P del
ARNm y también está uhicadi~ en
esta zona.
La protuberancia derecha (L7L12) dela subunidad mayor está implicada en la
bidrólisis de GTP a la cual seencuentra acoplado el proceso de traducción.
Por último, existen evidencias de que la proteína
L27 está relacionada con la
actividad de formación de los enlaces peptidicos. La localización de esta proteína
entre la protuberancia central
y la izquierda
(Ll),cercana a la plataformade la 30 S.
hace suponer que es en este sitio donde se lleva a cabo la unión de los diferentes
aminoácidos.
Si el dominio traduccional está bastante hien conocido, todo lo contrario sucede
con el de salida o secreción. Pocas proteínas (L7 y L19) han sido localizadas en esta
zona, por donde la cadena polipeptidica recién formada abandona al rihosoma.
Biogénesis de los ribosomas
Para la formación de los ribosomas es necesario la presencia simultánea de todos
sus componentes, las
3 moléculas de ARNr
(5,16 y 23 S) y las 52 proteínas. Como se
estudió en el capítulo 27, los ARNr de la
E.
coliestán codificados en el ADN en forma
continua
y se transcriben al
um'sono en un precursor de gran tamaño, que es profesado
hasta que cada uno alcanza su forma defmitiva. La
E, colitiene 7 copias de estos
genes.

150. j También los genes que codifican proteínas nbosomales se encuentran organiza-
d~ en grupos (operones)
y varias de estas proteínas se transcriben en un solo
ARNm
policistrónico. Estos grupos de genes se encuentran localizados en diferentes sitios del
cr*osoma bacteriano; se han descrito
7 operones que controlan la síntesis de las
proteínas
ribosomales (Fig. 29.9).
Fig. 29.9.
Operones de las proteínas
rihosamales. Las proteínas rihoso-
males
están codificadas en 7 seg-
mentos de ADN de longitud
varia-
hle. Cada unode ellos si transerihe
en un solo ARNm que se traducv
secueneialmente. A,
B y
B' repre-
sentan subunidades a, y P', res-
peetivamente de la ARN polime-
rasa. EF-G y EF-Tu representan
proteínas
no ribosomales
indispcn-
sahles para la traducrióii. En rojo
apareeen las proteína? que cantro-
lan la expresión de rada uno de las
fragmentos (aperones).
Las subunidades ribosomales se han podido reconstruir a partir desus componen-
tes purificados, con lo cual se pretende conocer el orden exacto en que cada uno de los
componentes es integrado en la formación de la partícula.
Todo el sistema de síntesis de los ribosomas está sometido a un fino y complejo
control que será analizado detenidamente en un capítulo posterior.
Los ribosomas del citoplasma de los eucariontes son de mayor tamaño que los de
procariontes con un coeficiente de sedimentación de
80 S con un peso de partícula de
4420
kD y están constituidos por 60 % de ARNr y 40 % de proteínas.
La subunidad menor presenta un coeficiente de sedimentación de
40 S con
una masa de
1 400
kD y está formada por una molécula de ARN de 18 S que
contiene
1 900 nucleótidos, con un peso total de 700
kD que representa el 50 %
de la partícula; el 50 % restante corresponde a unas 35 proteínas con un peso total
de 700 kD.
La subunidad mayor -de
60 S y un peso de 2 820
kD-presenta en su composición
3 moléculas diferentes de ARNr,unade 28 S con 4 700 nucleótidos, otra de5,8 S con
160 nucleótidos y la tercera de 5 S con 120 nucleótidos; ellos 3 constituyen e1 65 %
del peso de la partícula que incluye además unas 50 proteínas. En la figura 29.1 se
recogen los principales aspectos de la composición molecular de los ribosomas
eucariontes.
La complejidad estructural de estos organelos hace que su estudio no esté tan
avanzado como en los procariontes, por lo que no se puede contar hasta el momento
con un modelo detallado de su estructnra.
La biogénesis de los ribosomas ocurre en el nucléolo donde se sintetizan los ARNr
de 28,18 y 5,s S; el de 5 S se produce en el nucleoplasma. Las proteínas ribosomales
son sintetizadas por los ribosomas en el citoplasma
y son transportadas al núcleo
Componentes
celulus y Ckmm&b 517

151. donde se produce el ensamblaje de las subunidades que más tarde son llevadas al
citoplasma donde se forman los ribosomas funcionales de 80s.
En los organelos los ribosomas presentan formas variadas. En las mitocondria$ de
encariontes inferiores (hongos) son algo mayor que los de
E.
coli; en las plantasson
algo menores que los del citoplasnia de la propia célula; en los mamíferos sin embargo,
son mucho más pequeños con un tamaño total de 60
Sy una baja proporción de ARNr
(25-31 %).En los cloroplastas los ribosoma tienenun tamaño semejante a los de las
bacterias pero con una mayor proporción de ARNr. Ni la composición detallada ni la
estructura tridimensional de estos ribosomas ha sido estudiada en detalle.
En los procariontes varios ribosomas se unen a un mismo ARNm formando los
polirribosomas o polisomas,éstos pueden estar libres en el «citoplasmaa o unidos a la
membrana plasmáüca
En eucariontes la mayona de los ribosomas se encuentran en forma de polisomas
y sólo una pequeña fracción se hallacomo ribosomas libres. Es fácildistinguir 2 tipos
de polisomas: los que aparentemente están libres
en el citoplasma
y los que se encuen-
tran unidos a las membranas del retículo
endoplaimático, éste es el único tipo de
membranas eucanontes al cual pueden unirse los ribosomas.
Los polisomas adheridos forman modelos característicos como asas, rosetas,
círculos, espirales e hileras dobles en los que participa un número variables de
ribosomas (de
5 a más de 20). En algunos tipos celulares predomina un solo modelo,
por ejemplo, espirales en los
plasmocitos e Iiileras dobles en los fibroblastos, mientras
que en otros hay mezclas variadas.
Los polisomas libres sintetizan principalmente proteínas para el uso de la célula,
en tanto la. adheridos lo hacen para la secreción, membranas u organelos membranosai,
oero no existen diferencias estructurales entre ellos. La orouorcióo de ribosomas libres
.
A
y adheridos puede variar notablemente durante la vida celular, una célula exocrina,
por ejemplo, Comienza su proceso de diferenciación con una población predominante
de pdisomai libres, que elaboran las proteínas necesarias para su crecimiento
y repro-
ducción, pero al estar completamente diferenciada, presenta casi todos sus polisomas
adheridos
y
sólonnafracción muy pequeña en forma libre.
Resumen
Los nbosomas son los organelos especialuados en la sín- de las proteínas y
constituyen un componente universal de todas los orgaoianos celulares.
Los ribosomas procariontes están formados por 2 subunidades de tamaño
diferente. La menor o de
30 S tiene un ARNr de 16 S y 21
proteínas., su fnnción
fundamental consiste en el reconocimiento don-anticodon. La mayor o de
50 S presenta 2 tipos de ARNI, el de 23 S y el de 5 S y 31 proteinss, su función espeeíñca
fundamental es
la formación del enlace
peptidieo. La partícula funcional o de 70 S
es la que funciona d-te la tradudn.
Su estnietura iridimensional se define a partir del modelo asiméirico. La
subunidad de
30 S consta de una cabeza, una base y una
plataforma, y la de 50 S
consta deun cuerpo hemwíérico con 3 protuberancias y una muesca En el ribosoma
funcionai la unión de las
2
subunidades conserva el carácier asimétrico.
Empleando técnicas inmunológicas asociadas con
la
microscopia electrónica,
ladispersión ueutrónica y la formación de enlam cruzados se han podido determi-
nar
la posición de varios componentes
ribosomaies, así como algunos de sus sitios

152. fqcionales. La mayoría de las localizaciones se han realizado en el dominio
trridueeional y muy
pocas en el de
saüda o secretar.
', La formación de los ribosomas es un proceso complejo que requiere de la
pdcipación simultánea de todos sus componentes, para lo cual es necesario la
sínmis tanto delos ARNr como de las proteínas. Algo se ha avanzado en los úIomos
año$ en
la
monstrueeión in viho de los ribosomas.
ks ribosomas eueariontes son mayores y más complejos. La subunidad me-
nor o de
40 S presenta un ARNr de 18 S y unas 35 proteínas. La mayor o de 60 S
tiene 3 ARNr de 28;
53 y 5 S y alrededor de 50 proteh. Juntas forman lapart'm-
la funcional de SO S.
La estructura de los ribosomas de organelos (mitowndrias y doroplastos) es
mucho menm conocida.
En
las células los
ribosomas se agrnpan formando poüsomas que pueden estar
aparentemente libres en el citoplasma, o unidos a membranas formando figuras
mcterísticas. Los poüsomas Libres elaboran proteínas Otoplasmáticas, en tanto
los adheridos sinteüzan proteínas de Secreei6n o de componentes membranosos.
1. ¿Cómo se evidencia en la estructuración de los ribosomas el principio de
organizacion de las macromoléculas?
2. ¿Cómo procederka usted para determinar la posición de alguna de las proteínas que
forman parte de los rihosomas?
3. ¿Cuáles son las principales diferencias entre los ribosomas procariontes y los
eucariontes?
4. ;Existen algunas diferencias entre los polisomas libres y los unidos a membranas
en los encariontes?
5. En el ciclocelular deloseucariontes existe una etapa en que cesa la biogénesis de
los ribosomas
;,Puede usted deducir en cuál
y por qué?
6. Desde hace tiempo se sabe que la estreptomicina es
un inhibidor de la iniciación de
la traducción; después se demostró que este antibiótico se une fuertemente a
la proteína S12 ;Cuáles son las posibles conclusiones que pueden derivarse de estos
2 hechos?
Componentes celulares y Genética molecuiar 519

153. La traducción constituye la etapa crucial en el mecanismo de expresión de la
información genética. Es en este proceso donde tiene lugar la síntesis de la proteína
específica que ha de cumplir una función determinada en la célula o el organismo, con
lo cual la información contenida en los genes quedará totalmente expresada. En la
traducción se realiza el tránsito del genotipo al fenotipo.
La explición de la biosíntek de proteínas en ténninos moleculares constituye por
tanto un problema central de la biología molecular. En
1961 es que se obtuvieron los
primeros progresos significativos en el estudio de este proceso, a partir de extractos
bacterianos que sinteüzaban proteínas activamente. Estudios más recientes en eucariontes
permiten afirmar que,en líneas generales, el proceso ocurre deformasimüar en todoslos
organismos vivos
y que lasmayores diferencias radican en sus mecanismos de control.
El estudio de la traducción incluye
3 grandes aspectos: el
informacional o del
código, que ya fue estudiado en el capítulo
28; el topográfico o de la estructuración
del sistema sintetizador de proteínas, visto en el capítulo
29, y el químico, o sea, el
problema concreto de la síntesis de las proteínas, es decir, la iniciación de la síntesis, la
unión de los aminoácidos en el orden correcto, la Liberación de la cadena polipeptídica
neoformada, la adquisición de su conformación y, en ocasiones, las modificaciones
que ocurren
simultánea o posteriormente a la síntesis.
A este último aspecto
esiá dedi-
cado el contenido del presente capítulo.
Como se hizo en los casos anteriores este proceso se estudiará en primer lugar
cómo ocurre en procariontes, especialmente en la
E.
colicorno punto de referencia para
el estudio en eucariontes, basado en el sistema de reticulocitos de conejos que es el que
ha sido estudiado de forma más completa.
Primeros aportes
A mediados de la década de los 50
Críckpropuso la hipótesis de que no existía una
interacción directa entre los aminoácidos
v los ácidos nucleicos aue los codificaba v qneera necesariauna molécula adaptadora sin poder precisar nada sobre ella. Esta idea
se vio corroborada pocos años después cuando en
1957, Hoaglanddescubrió un tipo
de ARN capaz de unirse específicamentecon aminoácidos
y que se denominó soluble,
pero que más tarde
se nombró detransferencia
(ARNt).
Un aspecto interesante del problema fue resuelto en una elegante experiencia realiza-
da porHowardDintzW, quien determinóla dirección en quese produce la síntesis. Para
ello se utilizaron reticulocitos que sintetizaban hemoglobina activamente. Las célulasse
exponían a aminoácidos marcadoscon 'H durante diferentes períodos, que siempre eran

154. Fig. 30.1. Colinealidad ARNm proteína. A
medida
que el ARNm se
va leyen-
do
en el sentido 5
' -->3 ' , la rade-
na polipcptidiia se va sintetizando
desde el extremo N-terminal hacia
cl extrcnio C-terminal; dc esta for-
ma la posición de tos aniinoáeidos
en la cadena polipeptídica queda
determinada por la posición de los
eodoncs correspondientes en el
ARNm.
menores que el requerido para la síntesis de la proteína. La hemoglobina se extraía y se
separaban las cadenas
a y fi que eran entonces tratadas con tripsina. A los péptidos
resultantes se les medía la radiactividad y se comprobaba que
ésta era mayor hacia el
extremo
carbofico. De hecho había un gradiente de incremento de radiactividad desde
el extremo N terminal hacia el
C
termina1,por lo tanto, esa era la dirección de la síntesis.
Los experimentos para dilucidar el código genético ya habían mostrado queel ARNm se
leía en el sentido
5
' -->3 ' .A esta relación entre la dirección de lectura del ARNm y la de
síntesis de la cadena polipeptídica se le denomina colinealidad.
Otro hecho sobresaliente fue puesto al descubierto en el laboratorio de Frederick
Sanger, quien dejó establecido que existe un codon específico para la iniciación y que
éste es leído por un ARNt específico que difiere estructuralmente del resto de las
moléculas del mismo tipo.
Sangertambién pudo determinar que este ARNt era cargado con la metionina y
que a ésta se unía un gmpo formilo, formando la formilmetionina, primer aminoácido
que era incorporados la síntesis de proteínas.
El interés por los mecanismos de síntesis de proteínas es tal, que son muchos los
hombres y los laboratorios que han realizado aportes al esclarecimiento del proceso
hasta el nivel en que se encuentra en nuestros días.
Características generales
La traducción tiene lugar en un organelo citoplasmático específico (los rihosomas)
y se produce forma unidireccional desde el extremo N terminal hacia el
C terminal, colinealmente a la lectura del ARNm (Fig. 30.1). Tiene carácter gradual
y repetitivo,
pues los aminoácidos van incorporándose uno a uno mediante el mismo mecanismo.
También posee carácter acoplado, pues la energía necesaria para el proceso proviene
de la
hidrólisis de nucleósidos trifosfatados. Tiene carácter dirigido, pues el orden que
los aminoácidos ocupan en la cadena polipeptídica está determinado por el orden de
los codones en el ARNm.
Para la realización de la traducción
se requiere de más de 200
macromoléculas y
hanscwe a una velocidad promedio de unas 10 aminoácidos incorporados por segundo.
,y.----
En el estudio de la traducción se considerarán de manera secnencial las mismas
etapas que en los procesos anteriores, o sea, los eventos previos a la iniciación, la
iniciación, la elongación, la terminación y los eventos posteriores a la terminación.
Eventos previos a la iniciación
Se tomará como evento
prelio a la iniciación el proceso mediante el cual los
aminoácidosson unidos enzimáticanieiite a su ARNt especuieo y que recibeel nombre
de activación de aminoácidos.
La formación de un enlace peptídico entreel grupo carboxilode un aminoácido y
el grupo amino de otro es tem~odinánucamentedesfavorahle. Además, los aminoácidos
por síno pueden reconocer los codones sobre el ARNm y ordenarse en la forma adecua-
da, estos 2 obstáculos son salvados por la reacción de activación.

155. Lae~quecataliiaestareacuónfueaislada por primera vezafinales deladécada
de los
50 a
partir de extractos de hígado de rata, y ha ido recibiendo diferentes nombres
hastalaactualidad en que seconoce con elnombre genéncodeaminoacil-ARNt sintetasa
Esta enzima constitnye hasta el
10 % de las proteínas celulares, lo que equivale de
unas
1 000 a 5
000 moléculas por célula con sus variaciones de acuerdo con el estado
de la actividad celular.
Hasta el momento se conoce que en las bacterias existe una enzima para cada uno
de los
20 aminoácidos. Cualquier modificación del aminoácido ocurre con posteriori-
dad a la acción de la enzima. Como un aminoácido puede ser unido a más de un ARNt
(especies isoaceptoras) debe existir en ellos alguna analogía estructural que le permita
ser reconocidos por la misma enzima.
Las
aminoacil-ARNt sintetasas constituyen una familia de enzimas que
estmcturauiiente pueden clasiñcme en
3
gmp: tipo 1,consisten en ehas monoméneas
fi>rm;idas por una UILI i:ulrn;r pdipcplidira de 110 a 121) kD. como las acth ante de
s,alinae iwlcucinadcla I.^cr1l~tipoll,fi1n~~~p1r2suhiinidUdnHli.i1tica\de 1Mla IWI kl).
mmolasdepmlina,tr¡ptófanoy metioninadelaE &,y tipom,fonnadaspor4nibunidades
iguala 2 a 2 de aproximadamente 280 kD, como de la fenilalanina de la E. di.
Todas ellas catalizan la esterificación de un aminoácido al ARNt correspondiente,
lo cual se conoce generalmente como «cargar» el ARNt Para simbolizar al ARNt
específico para un aminoácido, por ejemplo para la alanina, se escribe ARNt"'" y para
señalar con cuál aminoácido está cargado se escribirá Ala-ARNt, por lo que la escritura
completa sería Ala-ARNP. Es importante recordar esta notación pues en ocasiones, se
utilizan con fines experimentales ARNt cargados con un aminoácido diferente al que
le corresponde y la notación ayudará a distinguir de qué se trata en cada caso.
Los estudios sobre el mecanismo de reacción hacen posible su separación en
2 etapas, la primera, llamada de activación propiamente dicha, y la segunda, de
transferencia; ambas etapas son reversibles
(Fig. 30.2).
N"i
Fig. 30.2. Activación de los aminuácidos. Los aminoácidos son unidos en una primera etapa al fosfato a dcl ATP, Comando un aminoaeiladenilato que
en una segunda etapa reacciona ron el ARNt correspondiente, transfiriéndole su grupo aminaacilo; ambas etapas de la reaccibn son
reversihles y calalizadas por las aminoacil-ARNt-sintft~sas~

156. En la primera etapa la enzima en presencia de iones Mg2+ transfiere el aminoácido
por su grupo carboxilo alfosfata másinterno del ATP,formándoseun enlace anhidrido
mixto de alta energía. Esto da lugar a la formación de pirofosfato que abandona la
enzima y un aminoaciladenilato que permanece unido al centro activo de la sintetasa.
La hidrólisis del pirofosfato favorece el sentido de la reacción.
En la etapa de transferencia el grupo aminoacilo del aminoaciladenilato se trans-
fiere al restoderibosadel extremo
3
' - OHdel ARNt correspondiente,formándose el
aminoacil-ARNt y AMP. Existen
2 familias de enzimas que se diferencian en que una
de ellas transfiere el aminoácido hacia el
3 '
-0H y la otra hacia el 2 ' -OH, lo cual
depende de la forma en que se produce la unión enzima sustrato. De todas formas el
grupo aminoacilo puede migrar del
3 ' al 2
' , y viceversa, unas 10 000 veces por
segundo. Como ya fue expresado, la reacción general es reversible
y presenta una
constante de equilibrio que varía entre
0,3 y
0,7, dependiendo del aminoácido, de lo
que se deduce que el enlace éster del aminoacil-ARNt tiene un contenido energético
comparable con el del enlace anhídrido de ácido del ATP.
Del mecanismo expuesto se infiere que las sintetasas poseen una doble especifici-
dad, pues por una parte deben reconocer al aminoácido específico y por otra
al ARNt
que le corresponde. La traducción correcta del mensaje genético depende en elevado
grado de la especificidad deesta reacción, pues no se conoce un mecanismo de rectifi-
cación como el de la replicación. De las
2 etapas, la de mayor especificidad es la
segunda. Esto se pudo comprobar cuando se utilizó la sintetasa específica para la
isoleucina, e incubándola con
valina se logró la formación del valil-AMP, pero al
añadir el ARNtV" en vez de producirse la transferencia del grupo valilo al ARNt,
se
estimuló la hidrólisis del
valil-AMP.
Casi todos los aminoácidos una vez unidos a su ARNt correspondiente estánen
condiciones de unirse a los ribosomas para la síntesis de proteínas, no obstante, existe
una notableexcepción. Se trata de aquél que va a servir parala iniciación.
Como ya se estudió en el capítulo
28, el codon de iniciación es el AUG (y en
algunos organismos el
GUG), que además codifica la metionina. Smgerdescubrió que
existen
2 tipos de
ARNt""', uno que se emplea en la iniciación, el ARNty, y otro para
las posiciones interiores, el ARNt"?. La misma sintetasa cataliza la unión de los
2
ARNt a la metionina, pero el
Met-ARNt,"" es posteriormente modificado por la acción
de una transformilasa específica que utiliza como donante activado de formilo el
N1"formiltetrahidrofolato (FH,), como aparece representado en la figura 30.3. El pro-
ducto de la reacción se denomina N-formilmetionil-ARNt (fmet-ARNtmh'"). Esta enzi-
ma sólo reconoce al ARNt y no al
ARNtm, lo cual hace suponer la existencia de
diferencias estructurales entre los
2
ARNtM". La formilación de la metionina en el
ARNt es esencial para la iniciación de lasíntesis de proteínas. La traducción de ARNm
virales añadidos a extractos bacterianos
es bloqueada por la adición de
trimetiprima,
un potente inhibidor de la dihidrofolato reductasa,sin embargo,la inhibición essupri-
mida por la adición de N'Uformil-FH, o defmet-ARNt, .
ARN,,--CH. O ARN,,-~~~
Fig. 30.3. Reacción de formilaeión del
metionil ARNf iniciador.
Una
en-
Transformilasa
, >
zima tronsforniilaaa, que utiliza
romo donante de farmila al y-(> «F( 1, , . -0
OH
N1"f<,rmil-tetrahidrofolato, modi- li:,-,, .,.. ,.-., . ,~: , -,-:, -,z
fica el grupa amino de la metimina
ic:i'll_ H
unida al AKVt,. Esta reacción es
!C'k!.#.
- ~
indispensable para la iniciación de
la traducción en procariontes. cil.
'i
r+

157. Iniciación
La traducción comienza con la formación de un complejo de iniciación 70 S. Los
comoonentes one interachían son las 2 subunidades del ribwma. ARNmfmet-ARNt?'"
y GTP; se reqiiere además la participación de 3 proteínas llamadas factores de inicia-
cih e identificadassimbólicamente comoFI- 1,FI-2 y FI-3. LosFI-l y FI-3son proteí-
nas básicas, relativamente estahles al calor y formadas por una solacadena polipeptídica;
el FI-1 con un peso de 8,9 a 9,4 kD y de 21 a 233 M>, el FI-3. Por otra parte el FI-2 es una
proteína ácida y termolábil con un peso de 90 a 118 kD.
A continuación se describe la secuencia de eventos que llevan a la formación de
este complejo. Para lograr una mejor comprensión se ha dividido en 4 fases Wig. 30.4).
GDP
+ @ GDP + @
+O+.+'
5' --'
Formación del complejo de preinieiauón
En el citoplasma celular los ribosomas se encuentran asociados como partículas
70 S y disociados en
un equilibrio dinámico. En concentraciones fisiológicas de Mg"
casi todos están asociados. La disociación de los ribosomas se produce por la acción
combinada de FI-1 y FI-3. El FI-1 aumenta la velocidad de disociación de los ribosomas,
con lo cual se incrementa el número de subunidades 30 S libres a las cuales se une
entonces el FI-3 impidiendo su reasociación con las subunidades mayores. Como el
complejo30 S:FI-3 es incapaz de unirse a la 50S,de hecho desplaza el equilibrio hacia
la disociación, permitiendo la unión de más FI-3. El F1-2 ligado a GTP se une entonces,
Componentes
celulares
Fig. 30.4. Etapa de iniciaci6n. Al disociarse
los rihowinas estimulados por
FI-l. éste se une a la suhunidad
mcnore impides" rcasoriacióti ion
la mayor. El resto de los factores
quedan tamhiéii incorporados
a la
suhunidad menor; entonces pue-
de ocurrir
que el
Ir-:GTP incor-
pore
al
fmet-ARNt, e que el FI-3
incorpore al ARNni. El pase si-
guiente complcta la incorporación
de todos los eomponentcs y la fase
se completa al
rcincorperarse la
suhunidad mayor.

158. en una unión que es altamenteestahilizada por FI-1 y FI-3. Por su parte la unión del FI-1
es estabüizadapor FI-2 y FI-3. En experimentos in iitrose ha mniprobadoquecadafactor
por separado puedeunine a la
30
S,perolaprmencia delos 2 restantesestab'üizala unión.
Lus3factores se unen contiyamente y muy cercadelextremo3'-OH del AUNrde 16
S y adyacentes a la zona de unión de la
50 S. A la estructura así formada se le denomina
complejo de preiniciación.
Incorporación del
fmet-ARNS
El factor directamente involucrado en la incorporación del fmet-AUNt, es el FI-2,
lo cual se comprobó en experiencias in vitro donde era el único capaz de lograr la
incorporación del ARNt, a los ribosomas, utilizando el trinucleótido AUG como
ARNm. El
FI-2 es incapaz de
unirsea formilnietioninalibre o unida a polinucleótidos,
pero lo hace fuertemente a cualquier ARNt cargado con metioninaque tenga blo-
queado el gmpo amino. Parece ser que el fmet-ARNt., se une sólo al ribosoma de forma
muy débil y elcomplejo FI3:GTP &tabiliza la unión.'La incorporación del fmet-ARNti
determinala salida delFI-3 del complejo. Este evento puede ocurrir antes o después
del que se describirá a continuación.
Incorporación
del ARNm
La incorporación del ARNm se produce por la intervención delFI-3. El ARNm tienc
un sitio de unión al ribosoma determinado por la secuencia 5'---AGGAGGU---a' o
parecida (secuencia de Shine y Daigarno) enuna posición similar hacia el lado 5'-P del
codou de iniciación; ésta se aparea con una zona rica en pirimidinas del extremo 3'-OH
del ARNrde 16 S la 5'- GAUCACCUCCUA--3'. Este apareamiento posicionael codon
AUG deformaque pueda apareane con el anticodon del fmet-ARN:. El estudio de varias
secuencias ha demostrado que la longitud de
esta secuencia del ARNm es variable y que
el número de pares de bases entre ellas
vaiía de 3 a
Y;
mieniras más pare de bases se fmen
más eficiente es la unión y nienos dependencia existe de la presencia del FI-3. La-mnade
unión al rihosoma estácompuesta por las proteínas S7,Sl,Sll,S12, SI8 y S21.
Normalmente la zona del extremo 3'-OH del ARNr de 16s está en forma de una
horquilla determinada por el apareamientointracatenariode las ha% que no permiten la
unión con el ARNm. La acción combinada del FI-3 y de la proteína S1 logran separar las
bandas de la horquilla
y permiten la
hteracción por apareamientode basen& el AUNm
y el ARNr de 16 S.
Formación del complejo de iniciación
70 S
La subunidad 50 S se
une ahora y provoca la hidrólisis del GTP mido al FI-2, con lo
cual EI-1, FI-2, FI-3,GDP y Pi abandonan el ribosoma y el tinet-AUNt, devieneactivo para
la formación del enlace peptídico.
El WP actúa como
un
modulador alostérico. Si se emplea GDPCP (Fig. 30.5) éste se
une al FI-2 y el complejo FI-2 j GDPCP se une al ribosoma, pero no se separa de él al
incorporanela 50 S. Si previamente se remueveel GDPCP,e fonna una 70 S totalmente
tiuicional,osca,la hidmlisisdel GTPnoesimprescindible para la ubicacióndelfmet-AIZN:,
sólopara cambiar el efector de GTP a GDP y con ello variar la conformación del FI-2. Se
ha postulado que esto produce
a su vez una transconforniación del
fmet-ARNt que le
permite interactuar con la peptidü transferasa. Este paso
se hadenominado acomodación.
Para liberar
al
FI-2se reuuiere la narticinación del FI-1 en cuvaausencia nila hidrólisis
del GTP permite la liberación del FI-2 ni la incorporación de la 70 S. Parece ser que al
hidrdizarse el GTP,el El-2 quedaunido al GDPqne dehe intercambiar con el F1-l para
ahandonarel ribosoma
Las proteínas L11 y la L7L12 están involucradas en la hidrólisis del GTP. El contac-
to
enhp FI-2:GTP y la prominencia L7L12 produce en esta Úitima una ~amconfonnación
que activala GTPasa unida el ribosoma.

159. Fig. 30.5. Estructura del GDPCP. La figura mucstra las estructuras del GTPy del GDPCPque presenta
cómo, en éste último, el grupo fosfato más externo está unido al resto de la molécula por un
grupo mrtilcno, por lo cual este compuesto no es hidrolizable romo cl GTP y resdta dc gran
utilidad como su análogo.
La etapa deiniciación es la más compleja de todas pero téngase presente que de la
adecuada ubicación del codon de iniciación depende que el resto del proceso se lleve a
eabo con la fidelidad requerida.
Una vez que se ha formado el complejo de iniciación de 70
S al nivel del codon de
iniciación,comienza un proceso de carácter cíclico, en el que cada aminoacil-ARNt se
incorpora al sitio A del ribosoma, cuyo sitio P está ocupado por la fmet- ARNt,; se
produce la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos activados
y el
mori-
mientodel ribosoma hacia un nuevo codon del ARNm con lo cual vuelve a iniciarse el
ciclo,ésta es la etapa de elongación. También en la elongación se requierela participación
de orotehas esoecíiicas no ribosomales, que se conocen como factores de elongación y se
s&bolizan como FE-ni. FE-% FE-G; SU estudio se realizará porfases comoen el caso
anterior (Fig. 30.6).
Incorporaa6n del aminoad-ARNt
Al producirse el complejo de iniciación de 70 S, un segmento de aproximadamen-
te 30 nucleótidosdel ARNm queda cubierto por el ribosoma, pero sólo
2 moléculas de aminoacil-ARNt pueden estar en contacto con el ribosoma al mismo tiempo, de ahí
que en la síntesisde proteínas sólo intervienen simultáneamente
2 de los 10 codones
cubiertos por los ribosonias; cada uno de los
aminoacil-ARNt ocupan sitios diferentes
en el ribosoma. El únicositio que puede ser ocupado por el aminoacil- ARNt entrante
es el sitio A (de aminoacil) o de entrada. Previo a la entrada del
aminoacil-ARNt, el
sitio expone el codon que corresponde al siguiente aminoácido que debe ser iiicorpo-
rado a la cadena polipeptídica.
El codon que representa el último aminoácido que ha sido añadido a la cadena
ocupa el sitio P (de peptidil) o donador, donde se localiza el polipéptido que ha sido
sintetizado hasta ese momento, o el fmet-ARNt, al inicio del proceso.
El factor que interviene en la incorporación dcl aminoacil-ARNt al sitio A se
obiuvo originalmente como una fracción única, a partir de extractos de la
E.
coliy se
IeUamó factor T, que má~ tardefueseparadoen2 componentes, uno queera estableal
calor y por ello se le Ilanió FE-Ts (la s por stable)
y otro que era inestable y se nombró
FE-TU (la u por unstahle).
Componentes celulares y
Genética molecdar 527
h ~

160. Fig. 30.6. Elongaóón. Las 3 ctapns fundamentales de la elongación se repiten de manera continua
tantas veccs como aminoácidos tiene la proteína, por eso esta etapa tiene carácter reiterativo.
(a) El complejo como queda al final de la iniciación. (b) Se ha incorporada el arninoacil-
ARNt al sitio A del ribosoma, que
en el paso siguiente (e) queda unido al
aininoaril qiie
ocupaba el sitio P. Se produce la transloeación (d) y comienza un nuevo ciclo de elongación.
La formaactiva del FE-Tb esun complejo binario con el GTP, queentonces puede
unirse al aminoacil-ARNt formando un complejo ternario, por lo que es probable que
la función del nucleótido de guanina sea la de garantizar la conformación adecuada
del factor. Como sucede en la iniciación, la hidrólisis del GTPconstituye el mecanismo
de variar el efector y con ello su conformación.
La forma activa del FE-Tu puede ser regenerada por EF-Ts, que reacciona con el
complejo FE-Tu:GDP y desplaza al GDPal tiempo quese forma un complejo entre los
2 factores
FE-Tu:FE-Ts (este fue el que inicialmente se llamó factor T); el FE-Ts es a su
vez desplazado por el GTPformándose el complejo FE-ni:GTP, que puede unirse a un
nuevo aminoacil-ARNt y el FE-Ts que puede reciclarse (Fig. 30.7).
Las interacciones entre FE-Tu, FE-Ts y GTPson reversibles in Wtro, no así la
unión con el aminoacil-ARNt, esto es lo que dirige la reacción en un solo sentido.
El FE-TU es una cadena polipeptídica única de
393 aminoacidos, con un peso
molecular de
43
kD y es una de las proteínas más abundantes de la E. coli, pues existen
unas
70 000 moléculas por célula, lo que representa el
5 % del total de proteínas
celulares. Esto es suficiente Dara ooder ligar el ~ool total
de
aminoacil-ARNt de la - -
célula y aproximadamente 10 veces el número total de ribosomas. La cantidad del
FE-Ts
es
aproximadamente igual al número de ribosomas, lo cual implica que la mayor
parte del FE-Tu se encuentra en forma de complejos binarios o tern&os.
En la formación del complejo ternario con el FE-TkGTP, la característica estruc-
tural más importante del aminoacil-ARNt pareceser el brazoaceptor, aquel donde se
une el aminoácido. Los cambios en el nucleótido final de adenina impiden el recono-
cimiento del aminoacil-ARNt. El único aminoacil-ARNt que no puede ser reconocido
por el complejo FE- Tu:GTPes el fmet-ARNti,lo que excluye la posib'idad que la fmet
pueda ser incorporada en respuesta a un codon AUG interno. Una razón de este com-

161. e Fig. 30.7. Ciclo del factor de elniigarión T.
1. El FE-Tu (en azul) unido al GTP
GTP (en rolo) ~wxeiana con el
D
ainiriuaeil-,\RNt. 2. El cornplqjo
formado se incorpora al rihosoma.
3. E1 GTP es hidrolizado a GDP y
ronq>le,io TuIGDP abandona cl
ribosanm 1. En ese nionicnto in-
terviene ci FE-% que
se une al
FE-TU
drsplazando al GDP.
5. Con
posterioridad el GTP desplaza al FE-Ts; ron lo cual el factor queda
eii cuiidiciones para recomenzar
el ciclo.
portamiento pudiera ser la estructura del brazo
aceptor del ARNti el cual delante del
ACCA-aminoacil contiene un C:A no apareado en vez del par presente en todos los
demás ARNt. Otro hecho sería la presencia del grupo amino bloqueado, pues se ha
comprobado que el bloqueo del grupo amino en otros aminoacil-ARNt impide su
unión con el complejo FE-TxGTP.
Estudios con GDPCP han demostrado que la hidrólisis del GTP ocurre con poste-
rioridad a la incorporación del complejo aminoacil-ARNt
/ FE-Tu : GTP al ribosoma
pero, previa a la formación del enlace peptídico, se produce la
hidrólisis de un GTP por
cada aminoacil-ARNt que es incorporado.
Formaci6n del enlace peptidico
El enlace peptídico se forma en una reacción en la cual se transfiere el gmpo unido
al ARNt que ocupa el sitio
P (sea un péptido o el fmet) hacia el grupo
amino del
aminoácido unido al ARNt aue ocuoa el sitio A. catalizada Dor una actividad de
peptidiltransferasa presente en la subunidad
50 S del ribosoma. Estudios recientes
indican que existe una notable participación del
ARNr en esta actividad catalítica,
aunque el concurso de proteínas ribosomales no ha sido descartado totalmente.
Aunque el sitio activo se localiza completamente en la subunidad mayor,la acti-
vidad puede ser detectada sólo en el ribosoma completo. La necesidad de la subunidad
menor puede entenderse como un mecanismo de seguridad que evita la unión azarosa
de aminoacil-ARNt por la subunidad mayor solamente.
Unode los problemas aúnno resueltos de lasíntesis de proteínas
es laexplicación de
cómo es posible que
2 ARNt ligados a codones contiguos puedan localizar sus brazos
aceptores lo suficientemente cerca uno de otro para permitir la formación del enlace
peptidico, teniendo en cuenta la estructnra hidimensional de los aminoacil-ARNt.
El ciclo de elongación se completa con la translocación, en la cual el ribosoma
avanza
3 nucleótidos a lo largo
del ARNm. Al formarse el enlace peptídico el ribosoma
Componentes celulares y Gedtica moIecular 529

162. /' '
'S
\,
e Fig. 30.7. Cielo del factor de eloiigatión T.
1. El FE-Tu (eii arul) unido al GTP
GTP (en ro)o) reacciona con el
b
aininuaeil-.\RNt. 2. El complejo
formado
se
inrorpora al rihnsorna.
3. El GTP es hidrolirado a GDP y
romplqio 'I'uIGDP abandona cl
rihosonia. 1. En ese niomento in-
tenieiie PI FE-Ts que se une al
FE-Tu desplarando al GDP.
5. Con
posterioridad el GTP desplaza
al
FE-%, ron lo cual el factor queda
en cundiriones para recomenzar
el cielo.
portamiento pudiera ser la estructura del brazo aceptor del ARNti el cual delante del
ACCA-aminoacil contiene un C:A no apareado en vez del par presente en todos los
demás ARNt. Otro hecho sería la presencia del grupo amino bloqueado, pues se ha
comprobado que el bloqueo del grupo amino en otros aminoacil-ARNt impide su
unión con el complejo FE-'k:GTP.
Estudios con GDPCP han demostrado que la hidrólisis del GTP ocurre con poste-
rioridad a laincorporación del complejo aminoacil-ARNt / FE-Tu ; GTPal ribosoma
pero, previa a la formación del enlace peptídico, se produce la hidrólisis de un GTP por
cada aminoacil-ARNt que es incorporado.
Formaaón del enlace peptídi
El enlace peptídico se forma en una reacción en la cual se transfiere el grupo unido
al ARNt que ocupa el sitio P (sea un péptido o el fmet) hacia el grupo amino del
aminoácido unido al ARNt oue ocuoa el sitio A. catalizada oor una actividad de
peptidiitransferasa presente en la subunidad
50 S del ribosoma. Estudios recientes
indican que existe
una notable participación del ARNr en esta actividad catalítica,
aunque el concurso de proteínas ribosomales no ha sido descartado totalmente.
Aunque el sitio activo se localiza completamente en la subunidad mayor, la acti-
vidad puede ser detectada sólo en el ribosoma completo. La necesidad de la subunidad
menor puede entenderse como un mecanismo de seguridad que evita la unión azarosa
de aminoacil-ARNt por la subunidad mayor solamente.
Uno de los problemas aún no resueltos de lasintesis de proteínas es la explicación de
cómo es posible que
2 ARNt Ligados a codones contiguos puedan Localizar sus brazos
aceptores lo suficientemente cerca uno de otro para permitir la formación del enlace
peptidieo, teniendo en cuenta la estructura tridimensional de los aminoacil-ARNt.
El ciclo de elongación se completa con la translocación, en la cual el ribosoma
avanza
3
nncleótidos a lo largo del ARNm. Al formarse el enlace peptídico el ribosoma
Componentes celulares y Ckn6tic.m m1ecuiar 529

163. porta un ARNt descargadoen elsitio P y un peptidil-ARNt en el sitio A. Como parte de
un mismo mecanismo, en la translocación se expele el ARNt del sitio
P y simultánea-
mente el
peptidil-ARNt se mueve del sitio A hacia el sitio
P. El ribosoma entonces presentaunsitio A no ocupado, que permitirálaentrada del siguiente aminoacil-ARNt
En esta fase intervieneel FE-G (la G alude a que liga nucleótidos de guanina) que
constituye una de las principales proteinas de la célula con un peso molecular de
72
kD y representa e1 2 % de las proteinas celnlares,lo que hace queseencuentre en
cantidad aproximadamente igual al número de ribosomas.
Como en los casos anteriores, se debe formar un complejo FE- G GTP que
garantiza la conformación adecuada para la unión al ribosoma y después la hidrólisis
del GTP no sólo proporciona la energía necesaria para el movimiento, además cambia
la conformación de la proteína permitiéndole abandonar el ribosoma.
Los ribosomas no pueden unirse simultáneamente al FE-Tu, y al FE-G, por lo que
la síntesis de proteínas sigue un ciclo en el cual estos factores son alternativamente
unidos a, o liberados de, los ribosomas.
Este ciclo de elongación se repite tantas veces como aminoácidos sean necesario
incorporar a las proteínas, por lo cual constituye el período de mayor duración de todo
el proceso.
Terminación
La terminación de la
síntesis de proteínas implica un fenómeno poco frecncntc.
pues se trata de la interacción de un codon directamente con una proteína.
Se han caracterizado
3 proteinas
que intervienen en la terminación y sedenomi-
nan factores de liberación
FL. El FL-1 reconoce los codones UAA y UAG, en tanto
FL-2, los
UGA y UAA y requiere
que el peptidd-ARNt se encuentre en el sitio P. Parece
ser que los factores de liberación realizan su acción en el sitio A, ya que algunos ARNt
mutantes capaces de reconocer codones de terminación compiten con ellos por entrar
al ribosoma. El FL-3 estimula la acción de los
2 restantes.
La actividad de los factores de liberación implica la separación de la cadena
polipeptídica neoformada y al desensamblaje de todo el aparato biosintetizador
(Fig. 30.8).
lhducción en eucariontes
La traducción en eucariontes, como ha sido estudiada en reticnlocitos de conejos,
sigue en heas generales elmismo procedimiento queen los organiFmosprocariontes. No
obstante, en cada paso se destacan diferencias específicas que vienen dadas principal-
mente por
3 factores fundamentales:
1. Los ribosomas eucariontes son más grandes y complejos
que los procariontes.
2. Los ARNm deeucariontes son casi siempremonocistrónicos,codifican parauna sola
cadena polipeptídica.
3. En el proceso interviene un número mucho mayor de proteínas no hbosomales.
Estos elementos hacen nedo detenerse en cada etapa para
resaltar las
principales
diferencias, ya que no se cuenta aún con datos completos como en el caso de los
prucariontes.
La iniciación es la etapa quepresentamayoresdifemncias. Se handescrito más de 15
pmteínas noribo~malesqueparticipanenlainiciación. Pamsignülcarsuorigeneucarionte
se escribe la letra "e'' delantedel símbolo del factor.
Enla formación delpooldesubunidades de 40 S intervienen
el
eF'I-3 quese uneaeua
y el eFI-6 que se une ala de
60 S, y tienen en ambos
casasunefecto antiasociante. El eFI-
2:GTP forma un complejo temario con el met-ARNt, (los eucariontes no utilizan
formilmetionina) que después se incorpora al ribosoma antes de la entrada del ARNm,por
lo cualsu ubicación no depende de unainteracción codon-anticodon. El en-3 participa

164. en la incorporación del ARNm después que ha sido ubicado el met-ARNt,, por un meca-
nismo diferente a como ocurre en procariontes. El ARNm se une al rihosoma por su
extremo 5' donde existe la estmctura del casquete al cual previamente se ha unido una
proteína específica. La subunidad
40 S
semueve entonces alolargo del ARNm, utilizan-
do la energía de bidrólisis del ATP hasta encontrar el primer codon de iniciación que
siemprees el AUG. El eFI-3 contribuye a esta unión al desestahikar la estructura secun-
ddadel ARNm que impidesu unión al ribosoma. Cuando se produce launión del codon
deiniciación con el anticodondel met-ARy,el ribosoma deja demoverse y entonces por
la acción del eFI- 5 se produce la incorporación de la subunidad 60 S impulsada por la
hidróKidel GTP.
Los eFI-2, eFI-3 y eFI-5 son imprescindibles para ia formación del complejo de
iniciaciónde 80 S, los demás factores conocidos, en-1, eFI-4A, eFI-4B, eFI-4C, eFI-4D y
eFi-4F interactuando con los primeros mejoran grandemente la eficiencia del proceso.
Los factores Co-eFI-2A, Co-eFI-2B y Co-eFI-2C controlan la formación del complejo
tedoeFI-2 I GTP 1 met-ARN$
Mención especial merece el eFI-2, éste ha sido purificado a partir de múltiples orga-
nismos
y en
diferenteslaboratorios, presentaun peso molecular de alrededor de 145 kD;
se trata de una proteína polimérica formada por 3 subunidades diferenies, la a con peso de
35 a 38 kD; la P, de 52 a 56 kD, y la y, de 48 a 52 kD. La subunidad u liga GTP con baja
afidad,pero GDP con afidad muy elevada
y puede ser fosforilada por una proteína quinasa independiente de AMPc que es estimulada por la deficiencia de ppos hemos en
el reticulocito, los ARN de doble hebra y el interferón,conlo cual se inactivael factor y se
inhibela iniciación. La P puede ser fosforiladapor la caseína quinasa II pero esta modifi-
cación no altera su funcionamiento. La
y no es fosforilada por ninguna de las
quinasas
anteriores
y es la que se une al
met-ARNt,.
Fig. 30.8. Tcrniinación. Al aparecer cn el
sitio A el codo" de termiiiaeióii, el
factor de liberaiiiin interacriens
directamente ion el ARNm y dc-
termina no súlo la separación de la
prateiiia neoformada, sino adeniás.
la dcrurganiraribn de todo el sis-
tema sintetirador.
Componentes celuiares y Genética molecuiar 531

165. Como la afinidad del eFI-2 es mayor para el GDP (que favorecela conformación
inactiva) que para el GTP (que favorece La activa), es necesaria la participación deotra
proteína denominada eFI-2A para realizar el intercambio GDPIGTP, pero su mecanis-
mo es desconocido.
Las fases de la elongación son iguales a las descritas para los procariontes. La
incorporación de los aminoacil-ARNt se lleva
a cabo con la formación previa de un
complejo ternario
aminoacil-ARNt:GTP:eFE-la que, al posicionarse en el ribosoma,
provoca la hidrólisis del GTP y libera el complejo binario eFE-1a:GDPque se activa
con la participación del eFE-lb; estos 2 factores, además de eFE-ly de función desco-
nocida,suelen agruparse formando un complejode elevado peso molecular quese ha
denominado eFE-1.
La incorporación del aminoacil-ARNt va seguida de la formación del enlace peptidim.
La translocación se produce por la participación de eFE-2 una proteína de 100 kD que
unida al GTPse asocia
al ribosoma y provocasu desplazamiento. Es interesante que este
factor
seamodificado por la toxina diftérica que transfiereel grupo ADP-ribosadel NAD'
a un resto de histidina modificado de la proteína, con lo cual se producen su inactivación
y la inhibición de la elongación.
Se ha descrito la existencia de un
eFE-3, que es una
proteínade 125 kD conactividadesde GTPasa y ATPasa quesonimpreseindibles parala
elongación, pero su función específica no se ha determinado.
En eucariontes existe una sola proteína que actúa como factor de liberación (eFL)
que está compuesta por 2 subunidadrq idénticas de 55 kD. Para unirse al sitio A donde
aparece el codon de terminación forma un complejo con el GTP, cuya hidrólisis parece
ser el últimoevento dela terminación, necesario para ladisociación de todo el sistema
sintetizador de proteínas.
Posterminación
La cadena polipeptídica formada en el ribosoma suele experimentar modificacio-
nes que pueden producirse simultánea a su formación (modificaciones
cotraduccionales), o una vez que ha sido liberada del ribosoma (modificaciones
postraduccionales), que dan lugar a la forma definitiva y funcional de la proteína.
En los procariontes el grupo formilo de laformilmetionina es eliminado antes de
terminar la traducción por la acción de una desformilasa específica, y en ocasiones,
tanto en procariontes como en eucariontes, enzimas del tipo de las aminopeptidasas
catalizan la separación de varios aminoácidos
a partir del extremo N terminal. La
eliminación de los aminoácidos parece estar influida por los aminoácidos que ocupan
las posiciones siguientes: la metionina permanecerá como primer aminoácido, si el
aminoácido que ocupa el segundo lugar es arginina, asparagina, ácido aspártico
glutámico, isoleucina o lisina; mientras que será separada si los aminoácidos que
ocupan el segundo lugar las alanina, glicina, prolina, treonina o valina. Frecuentemen-
te el grupo aminoterminal así formado es acetilado por acción de transacetilasas.
Algunas cadenas laterales de los aminoácidos son modificadas, por ejemplo, du-
rante la síntesis del colágeno se produce la hidroxilación delos restos de prolina y de
lisina; tambiénsonesterificadosgrupos fosfatos arestos de serina, tirosina y triptófano
de numerosas proteínas.
Los gmpos prostéticos son añadidos a las proteínas como el hemo de la hemoglo-
bina y como los cofactores que se unen de forma covalente a la enzima como la biotina,
el FAD, etcétera.
Un evento postraduccional importante es la formación de los puentes disulfuro
entre 2 cisteínas que contribuyen a la estructura tridimensional de muchas proteínas.
La cadena proteínica puede ser bidrolizada en diferentes puntos como sucede con
los zimógenos del tubo digestivo, como el pepsinógeno, el tripsinógeno, etcétera, que
parecen ser formas de almacenamiento de la enzima
y que sólo alcanzan su estado
funcional en el momento de su acción.

166. La proinsulina es hidrolizada con la liberación de un segmento polipeptídico
denominado péptido C que se encuentra en el centro de la molécula, haciendo que la
forma funcional de la hormona esté formada por
2 cadenas polipeptídicas, cuando se
ha sintetizado como una cadena polipeptídica única. En la hipófisis se forma una
proteína que es procesada mediante
proteólisis parcial específica
y que puede dar
lugar a varias hormonas de acuerdo con la posición de los enlaces peptídicos que son
hidrolizados.
El ensamblaje de las proteínas formadas por subunidades también se produce
después de la traducción. Este ensamblaje parece ser más sencillo en procariontes,
donde en muchos casos todas lassubunidades de una aroteína multimérica se forman
a partir de un solo ARNm policistrónico y, por lo tanto, se traducen de manera simultá-
nea; en los eucariontes cada subunidad se forma a partir de ARNm diferentes.
Distribución de proteínas
En los organismos eucariontes tiene una significación especial el proceso de
distribución de las proteínas. Todas las proteínas se forman en los ribosomas pero
deben realizar sus funciones en diferentes compartimentos celulares
y, en ocasiones
deben ser llevadas hacia el exterior de las células. Las proteínas que permanecen en el
citosol, así como las destinadas a las mitocondrias, los peroxisomas
y el núcleo son
sintetizadas por ribosomas libres; las destinadas a otros compartimentos o hacia el
exterior se sintetizan en
nbosomas unidos a las membranas del retículo endoplasmático.
A manera de ilustración se describirá el tránsito de proteínas a través de los sistemas
membranosos de lacélula, entre otras cosas por ser el mejor conocido.
Las proteinas que deben ser procesadas en el retículo endoplasmático se forman
en un estado de preproteína, pues contienen hacia su extremo N terminal un pequeño
péptido de 22 a
30 aminoácidos denominados péptido señal. Cuando este péptido ha
sido traducido es reconocido por
un complejo nucleoproteínico conocido como partí-
cula de reconocimiento de la señal que está formada por un ARN de aproximadamente
300 nucleótidos y 6 proteínas de diferentes tamaños. Esta partícula actúa también
sobre el ribosoma, bloquea la traducción y posteriormente transporta los ribosomas
hacia las membranas del retículo, transfiriéndolos a una proteína receptora
quees parte
integral de la membrana. La unión del ribosomaa su receptor recluta haciaesazonaa
un grupo de proteínas que se organizan en forma de canal denominado aparato
translocador,
y hacia el cual es transferido el ribosoma. La unión del ribosoma al
aparato translocador se realiza de forma que el dominio de secreción queda en contac-
to con la luz del canal, y al continuar la síntesis de la proteína ésta es descargada hacia
la
luz del retículo (Fig. 30.9).
Formando parte del aparato translocador se han identificado al menos 4 proteínas,
todas ellas con actividad enzimática. La peptidasa señal separa el péptido señal del
resto de la cadena polipeptídica, en tanto la péptido señal hidrolasa produce la degra-
dación hidrolítica del péptidoseñal hastasus aminoácidos constiiuyentes. Las
2
enzimas
restantes actúan sobre la cadena polipeptídica en crecimiento. La oligosacaril
transferasa cataliza la transferencia de oligosacáridos hacia residuos específicos de
serina o asparagina, en tanto, la tiol disulfuro isomerasa cataliza la formación de los
enlaces disulfuros
y contribuye a la formación de la estructura
tridimensional de las
proteinas.
Las proteínas que pasan a la luz del retículo contienen pequeñas secuencias
aminoacídicas que indican su destino. La presencia hacia el extremo C terminal de la
secuencia KDEL determina que la proteína permanezca en el retículo, en tanto la señal
KxKx ó KKxx u otras con 2 lisinas dirigen las proteínas hacia el aparato de Golgi. La
presencia de manosa-6-P en el extremo de los oligosacáridos orienta las proteínas
hacia los ribosomas. Se cree que existe otra señal para las proteínas que forman gránu-
Componentes cslulans y aeddca molacuiir 533

168. En los eventos previos a la iniciación tiene lugar la activación de los aminoácidos,
reacción en la cual se libera AMP por lo que representa un gasto energético equivalen-
te a
2 ATPpor cada aminoácido que es activado. En la iniciación un
GTPes hidroüzado
cuando el formil metionil-ARNt se incorpora al sitio P. Durante la elongación se re-
quiere un GTP para la incorporación de cada aminoacil-ARNt y otro más para la
translocación. Como esta etapa tiene carácter repetitivo, representa el mayor gasto;
también en la terminación se consume un GTP.
Para tener una idea real del gasto que el proceso representa se tomará como ejem-
plo la síntesis de la a-globina que como sesabe tiene
141 aminoácidos. La activación
de esos aminoácidos representa un gasto total de
282 ATP. La iniciación y la
tennina-
ción consumen un GTP cada una. En la elongación harían falta
2 GTP por cada
aminoácido, por lo tanto el total sena otra vez de
282 ATP. En total
serían 566 molécn-
las de ATPpor cada molécula de la w-globina.
Debido a las diferencias entre los componentes del sistema tradnccional en
procariontes y eucariontes, los inhibidores del proceso en un tipo de organismo,
suelen no serlo en el otro, aunque existen excepciones.
Los principales inhibidores de la traducción son antibióticos que no sólo han
tenido valor en el tratamiento de las enfermedades infecciosas, sino también en el
esclarecimiento de muchos de los aspectos de mecanismos de la traducción.
La puromicina permitió comprobar la existencia de los
2 sitios funcionales del
ribosoma. Este antibiótico actúa como un análogo del aminoacil-ARNt (Fig. 30.101,
pero no del fmet-ARNt, lo cual demostró que uno y otro se ubican en sitios diferentes.
La adición de puromicina a un sistema de síntesis de proteínas provoca la terminación
prematura de la cadena, originando pequeños péptidos de diferentes tamaños.
Fig. 30.10. Mecanismo de acción de la puromicina. Existe una gran similitud estructural entre la
puromicina
y
el aminoaeil-ARNt, por lo que el antibiótico se une al sitio A del ribosoma e
impide la entrada del ARNt cargado, provocando la lerminación abortiva de la síntesis de la
proteína.
La estreptomicina se une a la proteína S12 e impide la incorporación del
ARNti
cargado o causa errores de lectura del código, si el proceso está en fase de elongación.
El cloranfenicol inhibe la peptidil transferasa. La eritromicina se une a la subunidad
S0 S e impide su reasociación con el complejo de iniciación de 30 S, pero no tiene
efecto sobre la elongación (Fig. 30.11).
CHOH
~ig. 30.11. Inhibidores de la traducción.
Los principales inhibfdores de la
traducción
son
antibiátieos, algu-
nos de ellos sólo tienen acción so-
bre organismos procariontes (*),
otras solamenle sobre eueariontes
(**) y muy pocos sobre ambos.
Componentes celulares y 'Cicdtica tn~kauiir 535

169. Resumen
La traducción comtitnye La etapa cm& del proceso general de expresión de
la información genética, pues en ella
se producen las
proteínas cuyas funciones
espeúñeas determinan un organismo.
Este proceso tiene lugar en los ribosomas y
se
produee unidireecionalmente
del extremo N-terminal al C-terminal miheal a la lea del ARNm. Tiene de-
ter gradual y repetitivo y
está acoplada a la
bidr6Lisis de NTP, para su realización
se requieren más de 200 macromoléculas espeúfiq. Para su inmrporación a las
protehas los amino6ddos deben ser activados, lo cnai se logra con su unión a los
ARNt espeáñeos por enzimas denominadas aminoacil-ARNt-sintetasa
La iniciación consiste en la formación del eomplejo de iniciación de 70 S, para
lo
cual es necesario la separación de las
subunidades de los ribosomas y La unión
espeeíñca a la menor del ARNm y del fmet-ARNt,. En esta etapa son necesarias 3
proteínas espeúñcas llamadas factores de iniciación, también se requiere la ener-
gía de hiddüsis del GTP.
La elongaaón consiste en la incorporación uno a uno de los aminoad-ARNt
determinados por los dones que aparecen sucesivamente en el
ARNm y para lo cnai se requieren de los factores de elongación y de la bidr6üsis del GTP.
Durante la terminación almuias nroteínas esn~eas conocidas como fadores
de liberación interaciúan eon el don de te&ción y no 8610 determinen el 5nal
de La síntesis, sino también el desensamblaje del sistema bioaiiatéom. En muchas
dones las proteínas son modiñcadas durante o con pterioridad a la traduc-
ción
hasta ser totalmente funcionales.
La traducción en
eucariontes es similar en iíneas generaies a como ocnrre en
pdontes,pero existen diferencias sobre
todo en el número mayor de proteínas
no
ribosomales que el pmceso requiere.
Existen numemBos antibiótieos cuyo mecanismo de adn consiste
en inhibir
alguna de
las fases de la traducción, pero estos
antibiótieos han contribuido consi-
derablemente al conocimiento del proceso.
Ejercicios
1. Demuestre que en el proceso de la traducción se cumplen los siguientes principios:
a) De los cambios graduales. b) De acoplamiento.
c) De interrelación.
d) De transferencia de información.
2.
¿Por qué en los experimentos de Nirembergy otms (capítulo 28) se podían utilizar,
como ARNm, polinucleótidos que no contenían el codon AUG para la iniciación?
3.
¿Qué significado tiene en cuanto a la fidelidad de copia de la traducción las
propiedades de las enzimas aminoacil-ARNt-sintetasa?
4. La enzima nucleósido-difosfato-quinasa cataliza la reacción:
ATP
+ GDP
= ADP + GTP
¿por qué cree usted que la inhibición de esta enzima provoca una inhibición de la
traducción?

170. La recombinación genética es uno de los procesos más importantes en que partici-
pa el ADN celular, durante su transcurso se produce el intercambio de grandes segmen-
tos de ADN entre
2 moléculas. Sin el
oroceso de la recombinación. los cromosomas
fueran una combinación fija de alelos particulares sujetos únicamente a los cambios
mutacionales; el lugar de los daños provocados por las mutaciones se agrandaría en
muchas veces, pues pasaría del gen al cromosoma; las mutaciones dañinas se irían
acumulando hasta anular funcionalmente al cromosoma. Al intercambiar los genes de
uncromosoma a otro la recombinación permite la separación de lasmutaciones dañi-
nas de las beneficiosas. haciendo nosible la eliminación de las orimeras v la conserva-
ción de las segundas. Desde el punto de vista de
la evolución, un cromosoma viene a
ser
algoasícomo "un ave de paso", una asociación temporalde aielos, cuya existencia
particular en los grandes períodos evolutivos sería ehera.
Exisíen numerosas formas de recombinación genética, teniendo en cuentael modo
en que se produce el intercambio de los bloques de ADN y de acuerdo con el tipo de
organismo donde se produce. El mecanismo es complejo y no está totalmente escla-
recidoni enlos organismos mássimples, a pesar del extraordinarioavance logrado en
su comprensión durante los últimos años.
En este capítulo se discutirán brevemente los conocimientos actuales sobre los
mecanismos moleculares de la recombinación genética, tomando como referencia el
sistema mejor conocido que es el de la
E.
coli, algunas evidencias experimentales
sobreel procesoen eucariontes, la función de la recombinación en la evolución de los
seres vivos y por último, se pondrá de manifiesto la aplicación de muchos de los
conceptos relacionados con el estudio de la genética humana, sobre todo en el campo
de la medicina.
Historia del problema
A pesar de que el gen como unidad del fenómeno hereditario fue descubierto por
GregorMendel, quien además estableció las leyes que rigen su segregación, a media-
dos del siglo
XIX, esto quedó casi olvidado hasta principios del siglo XX cuando
prácticamente las leyes de Mendelfueron "redescubiertas". Es a partir de ese momento
que comienza el desarrollo de la genética. Entre los años
1910 y 1925 Thomas Hunt
Morgan y suscolaboradores llevaron a cabo extensos estudios sobre la genética de la
mosca del vinagre Drosophila melanogaster; mediante cuidadosas observaciones vi-

171. suales detectaron más de 100 anormalidades fisicas, debidas a mutaciones en los genes
oue se exoresaban en variaciones en el color de los oios. la forma de las alas, las ".
antenas, etcétera. Morgan determinó que estos caracteres se segregaban en 4 grupos
que se correspondían con el número de cromosomas de la DrosophiIa, introduciendo
el concepto de ligamiento para aquellos genes que por estar ubicados en el mismo
cromosoma con frecuencia se segregan unidos. Sin embargo, en algunos casos se
observaba que los descendientes se apartaban del patrón de ligamiento, esto quiere
decir que aparecían caracteres mezclados; a este fenómeno se le dio el nombre de
recombinación.
El proceso de la recombinación pudo ser observado durante el estudio microscó-
pico de la meiosis de las células germinales, donde los cromosomas homólogos se
disponen uno al lado del otro en una estructura denominada sinapsis, y luego se
observa la fusión de éstos en determinados puntos denominados qniasmas.
Las experiencias de transformación del neumococo realizada por
Fred
Griffiths,
en 1928, constituyen también un proceso de recombinación genética, aunque en
aquel momento no se conocía.
Desde entonces el fenómeno de la recombinación fue observado cada vez con
más frecuencia en los estudios experimentales y se obtuvieron numerosos datos acer-
ca de él, tanto cualitativos como cuantitativos, que permitieron la construcción de
mapas genéticos basados en la frecuencia de recombinación. Sin embargo el mecanis-
mo inolecular continuaba siendo un misterio.
Un paso significativo fne dado en este sentido cuando en 1964 Rohin HolIida';
a partir de la interpretación de numerosos resultados experimentales, propuso un
modelo que satisfacía todos los requerimientos y en el cual desempeñaba una función
iiiiportaiite mi intermediario en el que
2 cromosomas recombinantes se mantenían
unidos de forma co alente. en una región determinada por una conexión entrecruzada
formada por el intercambio recíproco de2 de las 4cadenas de las
2 moléculas de ADN
que participan en el proceso. Esta estructura se conoce hoy como el intermediario de
Hollidaq.
Este intermediario tuvo una comprobación física en
1970, cuando pudo
rer
visoalizado por microscopia electrónica. En los últimos años estudios con extractos
de la
E. coli y con productos génicos purificados, que estaban involucrados en la
recombinación, han profundizado el conocimiento del proceso al nivel enzimático.
Al estudio de la recombinación a este nivel está dedicado el contenido de este capítu-
lo.
Tipos de
recombinación genética
La recombiiiaciún se expresa en fenómenos diferentes entre los microorganismos
que son generalmente Iiaploides y los orgaiiismos diploides. En los haploides siem-
pre se requiere de la existencia de una molécula de ADN extraña o de un segmento de
ellaquese traslada de un lugar aotro. En los diploides el intercambiopuedeproducir-
se entre 2 moléculas que se encuentran en cromosomas homólogos.
En el proceso de transformación una molécula de ADN que aparece en el medio,
por haber sido liberada por otra bacteria, es captada e incorporada al cromosoma
bacteriano, determinando la aparición de caracteres nuevos en la bacteria receptora,
como sucedió en el experimento de Griffiths. Por su parte la transdncción necesita de
un virus como vector, el cual asimila un segmento de ADN de una célula infectada y
lo transfiere a otra que lo incorpora a su genoma. Por último, la conjugación se
produce por el traspaso directo entre bacterias de pequeñas moléculas de ADN circu-
lares llamados plásmidos. En todos estos casos se requiere la existencia de grandes
zonas de secuencias homólogas entre el ADN donante
y el
aceptor, las secuencias
deben ser idénticas o casi idénticas. Debido a este requerimiento estos procesos perte-
necen al tipo llamado recombinación homóloga o general.

172. Un segundo tipo se presenta cuando un virus infecta una bacteria y el ADN viral
experimenta un proceso de integración al ADN bacteriano, donde no existe homología
entre la secuencia donante y la aceptara, sino que se produce por la presencia de
secuencias específicas que permiten que enzimas determinadas las reconozcan, cor-
ten y empaten con el ADN viral, este tipo recibe el nombre de recombinación por sitio
específico.
En la transposición un segmento de ADN miga de una parte a otra de la molécula
o de un cromosoma a otro en los organismos diploides, sin que se requiera la existen-
cia de secuencias homólogas.
En ocasiones se emplea el término de recombinación ilegítima para aquellos
casos que no se ajustan a ninguno de los señalados, cuyos mecanismo y requerimien-
tos son desconocidos.
En lo que se refiere a organismos superiores se suele hablar de recombinación
sexual para designar aquélla que se produce en las células sexuales, y recombinación
somática cuando ocurre en el resto de las células.
Modelo de
HoWday
En la figura 31.1 aparece representado el modelode Holliday, éste comprende 2
grandes etapas: la iniciación y la maduración.
Dos dobles hélices homólogas se alínean una al lado de la otra (apareamiento) (A) y
cada una de las banda$ es cortada mediante enzima5 en unlugar específico (B),se crea mi
extremo Libre que abandona la hebracomplementaria a la cual estaba unida por puentes
de hidrógeno, se asocia con la cadena complementaria de la otra molécula (invasión de
hebra) (C D) y se establece una ioteracción fisicaentm las 2 moléculas a recombinar. Esta
estructura puede estabilizane por la acción de la ADN ligasa que forma los enlaces
fosfodiéster correspondientes en
cada hebra (E). La hebra invasora puede
ir estableciendo
cada vez un mayor número de puentes de hidrógenos con la molécula invadida, despla-
zando a la cadena original (migración de hebra) (F). La estructura así formada recibe el
nombmde intermediario de Holliday.
Este intermediario no es estático y su posición puede ir variando en un sentido o en
otro por el mecanismo demigración,~ puede rotar sobresu eje cilíndrico (isomerizauón)
(G, H) adquiriendo una nueva forma.
Laconstrucción demodelosespaciales ha probado, sorpresivamente, que no existen
impedimentos estéricos para la existenciade esaestructura
y
quecasi todas las basesse
encuentran apareadas.
La migración de la hebra puede dar lugar a la formación de zonas heterólogas de
ADN,segmentos donde el apareamiento delas bases está alteradocon la formación de
áreas que son genéticamente heterocigóticas; éste es uno de los hechos que más ha
apoyado el modelo de Holliday.
Estudios teóricos y prácticos han llevado a la conclusión que la velocidad de
migración es lo suficientemente elevada como para permitir la formación de zonas
hbridas en condiciones fisiológicas.
Dada la simetría de la estructura, la maduración puede ocurrir de
2
forma$, dando
lugar a
2 pares de cromosomas recombinantes.
La ruptura de arriba abajo o de izquierda a derecha
(1) libera moléculas de ADN de
igual tamaño en las cuales pueden existir regiones heterocigóticas, y que los genes que
están en los flancos pueden mantenerse en su posición original o con igual probabili-
dad pudo haberse realizado una recombinación recíproca (J, K).
Este modelo es muy atractivo como mecanismo general de la recombinación
porque puede dar cuenta de las propiedades genéticas de cromosomas recombinantes

173. Fig. 31.1. El modelo general de Hoilidag.
El modelo
de
recombinación pro-
puesto
por
Hollidag plantea que 2
nioléeiilas de ADN se aparean Val
?seproduieun~orteencadauna
de
las bandas
(b). Los extremos
libres invadcn la molécula
contra-
ria le y dl, formando
piicntcs de
hidrógeno
can la cadena comple-
mentaria.
La ADN
ligasa sella la
brecha (el y se produce la inigra-
eióii de la hebra (fl, dando el in-
termediario de Holliday. Obsérve-
se que en
este momento existe una
zona formada por 4 cadenas de
ADN enrollada una sebrc otra. La
isomerizarióii por rotación (g g h)
el corte posterior en uii sentido
\ci.tieal u horizontal (il daii lugar
a 2 moléculas recombinadas ikl.
La zona heter6luga o heterorigó-
tiea se observa cuando en iin sce-
tor de la molécula, una de las ca-
denas aparece en rojo y la otra en
azul.

174. que se producen en las formasmás complejas deintercambio de genes que se conoce,
la meiosis de los eucariontes.
Dos hechos importantes conviene recordar:
1. La recombinación ocurre con la conservación
netadel material genético, por cada
2 cromosomas que entran al proceso salen 2 cromosomas.
2. Los cromosomas recombinantes se producen en pares recíprocos, no en general
entre la población, sino durante eventos individuales de entrecruzamiento.
Comprobación del modelo
Aunque el modelo de Holliday fue propuesto sobre la base de estudios genéticos
en
eucariontes, su confirmación se realizó por estudios en procariontes, especialmente
en la
E. coli.
El genoma de la
E.
coliestá constituido por una gran molécula circular de ADN y
que en el citoplasma bacteriano se encuentran moléculas independientes de ADN
también circulares, pero de mucho menor tamaño que reciben el nombre de plásmidos.
Si ocurriera la recombinación entre
2 moléculas circulares de ADN debe formarse
una estructura semejante
al número 8, como se muestra en la
figura 31.2 o una molécu-
la doble, dimérica, de acuerdocon el momento en quese observe la estructura.
Este tipo de estructuras en forma de
8 fue observado en el microscopio
electrhico
a partir de plásmidos extraídos de la
E. coli.
Aunque la existencia de la estructura en
8 puede
considerarse como una evidencia
del mecanismo propuesto, no es suficiente para demostrarlo, pues se pueden obtener
estructuras similares por la existencia de
2 círculos concatenados o por 1 solo círculo
que se ha torcido sobre si mismo dando lugar a esta imagen. Para eliminar esas posibi-
lidades los extractos fueron tratados con una enzima de restricción que provocaba
1
solo corte en cada una de las moléculas; si se tratara de alguno de los casos menciona-
das debía obtenerse
1
ó 2 moléculas lineales de ADN según el caso; si fuera el interme-
diario de Holliday lo que se está visualizando, el resultado sería una estructura de
forma similar a la letra griega chi (x) con 2 pares de brazos de igual longitud. Esta fue
la estructura visualizada (Fig. 31.3), con lo cual quedó demostrada la existencia del
intermediario de Holliday.
Fig. 31.2. Recombinación de moléculas rir-
culares. Cuando las
2 moléculas recomhinantes san circularesexiste
una estructura intermedia que re-
cuerda la figura del número 8.
Fig. 31.3. Moléculas circulares recombina-
das. Cuando las moléculas circu-
lares recombinadas re tratan can
una enzima de restricción, que
haga sólo un corte en cada una de
las moléculas, se origina una figu-
ra similar a la letra griega ehi.
Componentes celulares y Genetica molecular 541

175. Formaa6n del intermediario de Holliday
Existen 3 modelos fundamentales propuestos para explicar la formación del inter-
mediario de Holliday, con el propósito de ajustar el mecanismo propuesto a los datos
experimentales sobre todo en cuanto al grado de heterologíq del ADN recombinado.
El modelo descrito en la figura
31.1 supone que cada una de las moléculas de ADN
una vez apareadas son cortadas mediante
enzimas en
un sitio específico. La hebra que
posee el extremo libre invade la otra molécula en zonas de secuencias homólogas y
posteriormente el mecanismo de migración aumenta la zona de ADN
heterólogo. La
brecha existente es sellada por la acción de la ADN ligasa; de esta forma la zona
heteróloga
es similar en ambas moléculas.
Un mecanismo alternativo
(Fig. 31.4) plantea que el corte se produce en una sola
hebra de una de las
2 moléculas (Fig. 31.3) y ésta invade la otra molécula en zonas
homólogas. Se produce entonces la migración de la hebra mientras
que la ADN
polimerasa 1 va llenando el espacio que queda en la otra molécula. En algún momento
posterior
se produce la invasión de la otra molécula y con ello aparece el intermediario
de Holliday cuando
Las bandas son selladas por la ligasa. En este caso las zonas heterólo-
gas son de tamaño diferente.
Fig. 31.4. Modelo de alternativo de reeombinacián. En este modelo una de las cadenas invade a la
otra
(a, b y e) y la hebra que queda
desapareada es rellenada por la ADN polimerasa 1 (c, d
~ ~ - -
ve). Desoués es aue se oraducc la invasión de la hebra contraria (0 Y el vroceso sigue izual . . . . -.
al modelo ya descdto. Obsérvese que en este casa la zona heteróloga es diferente en cado
una de las moléeulw recombinadas.
Un tercer modelo se muestra en la figura 31.5, según el cual se produce cierto
grado de desnaturalización del ADN en las cadenas apareadas, lo cual posibilita la
invasión recíproca de las bandas si existen secuencias homólogas.
Se producela mi-
gración en los
2 sentidos, para lo cual es necesario la participación de la topoisomerasa
1, originándose 2 zonas de entrecruzamiento que por 1 solo corte dan lugar al inter-
mediario de Holliday. Aquílas zonas heterólogas son iguales en tamaño.
Por estudios con bacterias mutantes se han podido identificar
12
genes
involucrados en el proceso de la recombinación, que son principalmente de las fami-

176. Fig. 31.5. Modelo de recombinación sin corte. Una desnaturalización local permite la invasión
reeiproea de las
2
molleulas (b), que +,a aumentando en longitud (e y d). El paso de
isomerización por rotación
(e y
0 y el corte (g) dan lugar al intermediaria de Holliday (h)
que se madura y da 2 moléculas recombinadas, cuyas zonas heterólogas son de igual
longitud.
lias rec y ruv. Además, están los relacionados con las proteínas que participan en el
metabolismo general del ADN, como la ADN polimerasa 1, la ADN ligasa, las SSB y las
topokomerasas 1 y 11.
No todos los genes de la familia rec han podido ser caracterizados con igual
profundidad,lo cual supone que el proceso no está completamente esclarecido. Sin
embargo, el conocimiento actual permite una buena aproximación al mecanismo
molecular del proceso.
Estudios experimentales han demostrado que mutaciones en el gen recA pueden
reducir hasta
1
000 veces la recombmación genética. La pmteúia RecA es un polipéptido
de
40
kD cuya síntesis se incrementa notablemente en situaciones que afectan de
forma negativa el metabolismo del ADN (luz ultravioleta, ácido nalidíxico, bleomicina
o mitomicina
C), haciendo que pase de su nivel normal de unas 2
000 moléculas por
célula a
50
000 aproximadamente, o sea, el 6% del total de las proteínas celulares.
La primera actividad enzimática conocida de RecA fue su acción proteolítica,
cuyo significado se aclara en el capítulo
33 y que no está relacionada con la
recombinación.
Con nostenondad se demostró aue la interacción con ADN de cadena simple . ~~ ~
(DNs) dcsarn,llaba en ella una fuerte actividad de adellusintrifosf3tax~ cA'rPüsa) !. le
permitía catiilizar la ;isUiiilaiii,n de esa hehra a una moliriila de :\DN de dd~le hebra
(ADNd), donde existieran zonas de secuencias homólogas.
En experimentos de recombinación la cantidad de RecA nec-ana es directamente
proporcional a la cantidad de ADNs en el sistema en forma estequiométrica; un
monómero de
40
kD es necesario por cada 3 bases de ADNs. La RecA puede unirse
tanto
al ADNs como al
ADNd,pero de forma diferente y compleja. Su unión al ADNs es
más simple y no requiere ATPpues si se añade,éste es hidrolizado rápidamente
y RecA seune y se separa alternativamente del ADNs. En contraste, en condiciones íisiológicas,
Componentes celulares y Genética molecular 543

177. la unión de RecA al ADNd requiere ATP y es unas 100 veces más lenta que su unión al
ADNs. El sitio de unión del ADNs y el ADNd es el mismo o son tan próximos que
llegan a superponerse.
El producto de recB es un polipéptido de 140 kD que se asocia al producto de
recC, un polipéptido de 128 kD y al de recD de
58
kD, formando una proteína
multimérica conocida como RecBCD. Mutaciones en estos genes disminuyen la
recombinación al nivel del 1% del tipo silvestre, muy importante aunque menos que
recA. Tiene una potente actividad de exo y endonucleasa.
Lo más sobresaliente es una
actividad de endonucleasa de sitio específico
comola enzimade restricción que reco-
noce la secuencia 5'-GCTGGTGG-3', conocida como motivo chi (x). La enzima corta
el ADN en el cuarto o sexto nucleótido después de 3'. Los productos de los demás
genes de la familia rec son menos conocidos, aunque se sabe que RecF es una proteína
de unión al ADNs, Red es una exonucleasa para ADNs y RecQ es una helicasa.
La otra familia génica implicada es NV. RuvAes una proteína de 22 kD que forma
tetrámeros los cuales sc unen al ADN que presente forma de
X.
RuvB es una débil
ATPasade 34 kD que se une al complejo ADN RuvA, y RuvC que sólo tiene 19 kD es
capaz de resolver los intermediarios de Holliday por rupturas endonucleolíticas.
Cuando RecBCD se incuba con ADNd, ATPy ADNs su actividad de nucleasa se
suprime y achía desenrollando el ADNd, como una helicasa, exponiendo ADNs que es
cubierto por las SSB. Se ha propuesto un modelo a partir de los estudios cinéticos de la
enzima. En condiciones fisiológicas un extremo de RecBCD se une al ADNd y co-
mienza a desenrrollarlo a una velocidad de300 nucleótidos por segundo. La cadena
formada es liberada en el otro extremo a una velocidad de 200 nucleótidos por segun-
do. La diferencia de velocidades origina un asa de ADNs, que va creciendo a medida
que la enzima se desplaza sobre el ADNd. Estas bandas simples interaccionan con las
SSB que las cubren totalmente, apareciendo cadenas simples que pueden servir de
sustrato a RecA para comenzar la recombinación. Cuandoaparece el motivo chi (v)
corta la hebra y genera el extremo libre necesario para la acción de RecA, que se
polimeriza en forma helicoidal alrededor del ADNs y forma un surco donde se puede
alojar,tanto el ADNs como el ADNd, por lo cual sesupone que un ADN trifibrilar achía
como intermediario de la recombinación.
Una vez formado el complejo ADNs:ADNd:RecA se produce la asociación entre
las 2 hebras si existe homología de secuencia, de no ser asíse produce la hidrólisis del
ATP y la separación del complejo que vuelve a unirse en otro sitio hasta formarse un
apareamiento estable (Fig. 31.6).
invasora.
La homología que se requiere no es absoluta de lo contrario, las zonas heterólogas
nose formarían. En pmebasrealizadasse hademostrado queel ADN con una homología
de1 90% pueden ser recombinado, en tanto otros con un
70% no puede recombinarse;
el límite de máxima tolerancia no es conocido aún. En este primer paso se produce el
apareamiento de 300 a 500 pares de bases, después el
ATPes bidrolizado y el complejo
se disocia. Para la migración es necesario la acción reiterada de RecA que se asocia y
disocia bidrolizando ATPen cada ciclo.

178. En esta primera etapa intervienen las SSB, aun cuando RecA puede hacer todo el
proceso hasta la formación del intermediario de Holliday, este evento mejora ex-
traordinariamente su eficiencia si al sistemase añade SSB, con lo cual se requiere de
menos cantidad de proteína RecA y de hidrólisis de ATPpara lograr un grado igual de
recombinación en relación con preparaciones que no contienen SSB.
Mientras la hebra invasora no se encuentre unida de forma covalente con la ADN
ligasa, no se presentará ningún problema topológico, pues existe un extremo libre que
permite la relajación de las tensiones que se van creando a medida que la migración
avanza. Pero una vez quela brecha hasido selladaaparecerán los problemas topológicos
que pueden ser resueltos con la participación de la topoisomerasa 1, que por ruptura y
formación de enlaces fosfodiéster permite aliviar las tensiones en forma similar a como
ocurre en la replicación.
La enzimología de la maduración es menos conocida. El descubrimiento de las
enzimas codificadas por los genes de la familia ruv ha comenzado a esclarecer esta
etapa final del proceso de recombinación. Sin embargo, aún queda mucho por aclarar.
Se espera que los modernos métodos de análisis genéticos permitirán que en los próxi-
mos años todos los mecanismos implicados en el proceso de recombinación genética
queden totalmente aclarados.
Signiñcado biológico de la recomb'iauón
La recombinación genética es un fenómeno fundamental en los seres vivos, pues
constituye uno de los principales mecanismos de intercambio de información genética
entre ellos. El hecho de que un organismo pueda captar e incorporar a su genoma
segmentos extensos de ADN provenientes de otras fuentes, como sucede en la transfor-
mación, constiiuye un factor trascendente en la evolución delos seres vivos, pues ello
le permite la adquisición de nuevos caracteres que pueden representar una ventaja
selectiva. Lo mismo sucede con la transducción cuya diferencia esencial consiste en
que el material genético es transportado de una célula a otra por la acción de un virus.
El virus de laimnunodeficienua humana productor del síndrome deinmunodeficiencia
adquirida (SIDA) cuando penetra en las células del sistema linfoide forma un ADN que
con posterioridad se integra al genoma celular mediante un mecanismo de
recombinación por sitio específico.
En organismos con reproducción sexual la recombinación genética representa el
mecanismo fundamental -aparte de la mutación- para la creación de nuevos genotipos
por una redistribución de los genes parentales, lo cual en muchos casos puede originar
genotipos ventajosos que representarían una mejoría en la adaptación al medio au-
mentando la supervivencia y la reproducción.
Pero la recombinación puede representar también un mecanismo de defensa o
depuración contra las mutaciones dañinas y una forma de hacer perdurables las bene-
ficiosas. Si no existiera la recombinación al producirse una mutación dañina, sobre un
gen, comenzaría un proceso irreversible sobre el cromosoma que la porta que conduci-
ría inevitablemente a su desaparición funcional. Una nueva mutación agravaría el
proceso y así sucesivamente. Los efectos de mutaciones beneficiosas serían opacados
por los daños establecidos. Como ya se ha dicho la localización de un gen en un
cromosoma sólo es temporal, pues al producirse la recombinación ese gen puede tras-
ladarse a otro cromosoma y de esta forma
2 mutaciones dañinas pueden ser físicamente
separadas, incluso una beneficiosa de otra dañina como se muestra en la figura
31.7.
Durante la gametogénesis en la división meiótica ocurre la recombinación de
los
cromosomas homólogos, con lo cual pueden aparecer gametos con genotipos diferen-
tes a los parentales.
Se ha planteado también la existencia de recombinación entre lascélulas somátieas
embrionarias, lo que ha permitido desarrollar toda una teoría para explicar la forma-
ción de la gran diversidad de inmunoglobulinas por las células linfoides, como se
discute con mayor amplitud en el capítulo
82.
Fig. 31.7. Separación de genes mutados.
En uno de los 2 cromosomas
homólogos ha ocurrido una mu-
tación henefieiosa que se represen-
ta en rojo (a) SE muestra el prace-
so de mutación, pero ahora se tra-
ta de
una dañina representada en
negro. El organismo que herede
ese
cromosoma heredará los 2
genes mutantes; pera romo apare-
ec en (b) un proceso de reeombi-
nación
separa las 2 mutaciones
durante la evolución, los organis-
mos
que adquieran la mutación
beneficiosa
se
pafirán adaptar me-
jor al ambiente sin llevar consigo
la mutación
dañina.

179. En la mitosis de las células somáticas se han observado entrecruzamientos de
cromátides similar a los de
la
meiosis, pero no ocurre recombinación, pues en este caso
las cromátides que intercambian son hermanas
y por lo tanto iguales.
En resumen, el proceso de recombinación
genética es uno de los principales meca-
nismos que intervienen en la producción de la gran variabilidad de los seres vivos,
hasta tal punto, que se puede afirmar que en una especie dada no existen
2 individuos
totalmente iguales.
Resumen
La
reeombinaci6n genética es uno de los procesos más importantes en que
participa el ADN celular, durante &te se produce el intercambio de grandes blo-
ques entre
2
moléculas de ADN. Existen diierentes tipos de reeomb'ici6n de acner-
do con las caracterísüeas de la molécula donante v la motora La transformaci6u.
traasduM6n y coqjngaci6n pertenecen al grnpo denominado recombinaci6n gene-
ral u
homóloga; en tanto la transposia6n es de tipo heter61oga. Al nivel moleeular
la reeombiici6n consía de
2
eíapas: la mieid6n, con la formación del interme-
diario de Holliday, y
la
mad-6n.
Se ha planteado
un modelo general para explicar el
proceso en ténninos
enzimstim; &te comienza con
la
parüapaci6n de la proteína RecBCD que al
moverse sobre el ADN crea una
zona
desnaturalizada de varios cientos de bases
que
se mantiene gracias a la
intemeneión de las proteínas SSB. Una de estas cade-
nas invade a la otra molécula que participa en el pmceso.
En e& momento interviene la proteína Red que se une a la hebra invasora
formando un complejo ADN-ReeA, que explora
la otra molécula hasta encontrar una zona de homoloela en la secuencia de bases. oara lo cual orovoca la
desnahiralizeci6n pare% de la moléeula receptora. Al Gcontrar la zona hom6lnga
se produce el apareamiento de bases entre la hebra invasora y la molécula recepto-
ra. A medida que el apareamiento progresa se crean zonas de tedn en la molh-
la que pueden ser eliminadas con la parücipaci6n de la topoiwmerasa L La rota-
ción de
la molécula formada da lugar a la
aparici6n del intermediario de Holliday.
La mptura del intermediario produce
2 nuevas moléculas
recombinadas, pero
de
esta etapa es
pow lo que se conoce y 5610 recientemente se ha encontrado una
enzima producida por el fago T4 que reeonoce esta estructura como sustrato.
La freeuencia en
la
reeombinaeión de 2 o más genes ha permitido la elabora-
d6n de
mapas
geneticm en varios organismos.
La remrnbinación genétira es el principal mecanismo capaz de explicar la
gran diversidad de organismos que componen
una
especie, de abí su valor en el
pmceso evolutivo. Además puede significar un mecanismo de pmteeei6n, pues
permite la separación de las mutaciones dañinas de las beneficiosas. Se espera que
en Ina pr6ximos años se produz~an notables avances en nuestro conocimiento sobre
los mecanismos moledama de
la
reeombinaci6n genética
Ejercicios
1. ¿Qué significado tuvo en la historia del conocimiento de la recombinación genética
la aparición del modelo de Holliday?
2.
;SegÚnelmodelode Holliday puedeañrmane que en todo procesade recombinación
se obtienen siempre
2 moléculas recombinadas?
3.
¿Qué entiende usted por una molécula de ADN heterocigótica? ;Qué función
desempeña en
la recombinación?

180. 4. ¿Cuáles son las principales analogías y diferencias entre los modelos propuestos
para explicar la formación del intermediario de Holliday? ¿En cuál de ellos es
imprescindible la participación de la topoisomerasa
I?
S. Los organismos que carecen de la proteína
RecA realizan la recombinación con
muy baja frecuencia ¿Cómo explicaría usted este fenómeno en esos organismos?
6.
¿Por qué puede afirmarse que la recombinación genética ha desempeñado una
importante función en el proceso evolutivo de los seres vivos?
Componenies celulares y Ckn6tica molecular 547

181. Los seres vivos se desarrollan en dependencia del medio y si bien de éste obtienen
todo lo necesario, también pueden experimentar daños debido a la presencia en su
ambiente de agentesfísicos y químicos capacesde interactuar con las biomolécnlas y
provocar alteraciones en ellas. Esta situación también puede originarse como resulta-
do de interacciones entre las propias sustancias componentes de los seres vivos en
condiciones especiales.
La actividad del hombre en ocasiones puede modificar de forma negativa las
características del medio, sea de forma accidental o deliberadamente, con el propósito
de hacer daño.
La contaminación ambiental es sin dudas uno de los grandes problemas
de nuestro tiempo que requiere del concurso internacional para su solución
defuiitiva.
En este capítulo se estudiarán aquellos agentes que pueden alterar el material
genético y por tanto, provocar la aparición de variaciones fenotípicas en los indivi-
duos y en su descendencia.
Después de aclarar los conceptos fundamentales y la terminología que se debe
emplear, se estudiarán los mecanismos que originan las mutaciones,sns consecuencias
positivas y negativas analizadas desde diferentes puntos de vista, para terminar con el
análisis de algunas situaciones relacionadas con
la práctica médica.
El análisis de las mutaciones en procariontes permitirá su estudio detallado
y su
comparaciónposterior con los encariontes, principalmente en el hombre.
Definiciones y nomenclatura
En este tema se emplea un conjunto de términos que deben ser definidos antes de
comenzar el estudio de los contenidos.
Concepto de mutación
Se denomina mutación a toda alteración permanente
que se produce en el material
genético, el ADN,
y
que se trasmite a los descendientes durante el ciclo replicativo.
Como ya fue visto en el capítulo 25
y se analizará con
más detalle en el capítulo 33, no
todas las alteraciones son trasmitidas a los descendientes, gracias a un sistema de
mantenimiento
y reparación del ADN. El organismo que se
Origina como Consecuen-
cia de una mutación
y que difiere del organismo original recibe el nombre de mutante.

182. El agente capaz de provocar la aparición de una mutación se denomina agente
mutagénico o mutágeno, el cual puede ser de naturaleza fisica o química y puede
originarse en el interior o exterior del organismo. Por último, el mecanismo por el cual
un mutágeno origina la mutación recibe el nombre de mutagénesis.
Si la
E.
colique existe en la naturaleza es capaz de formar leucina a partir de una
fuente carbonada y una nitrogenada, el organismo
se nombrará
leui y se considera que
es el tipo silvestre. Si por la acción de un mutágeno se obtiene un mutante que no es
capaz de crecer en un medio carente de leucina (ha perdido la capacidad de sintetizar
ese aminoácido),entonces se nombra leu'. En este sistemade nomenclaturael tipo
(+)
es siempre el tipo silvestre, aunque no sea el que existe en la naturaleza, y el tipo
(-) es
el mutante. Para referirse al genotipo se utilizarán letras minúsculas y para el fenotipo
las mayúsculas.
Tipos de mutaciones
Las mutaciones pueden clasificarse atendiendo a numerosos criterios de los cua-
les los más utilizados son los que se definen a continuación. Según su origen las
mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas. Algunas mutaciones se producen
como consecuencia del normal funcionamiento de la célula y reciben el calificativo de
espontáneas
y ocurren en una proporción que es característica para cada organismo.
Las mutaciones que se producen como consecuencia de la acción del hombre sobre
determinados organismos reciben la denominación de inducidas. Laefectividad de un
mutágeno debe medirse por su capacidad para incrementar la proporción de las muta-
ciones en un organismo determinado.
Teniendo en consideración el grado de afectación que el mutágeno origina en el
material genético, las mutaciones pueden clasificarse en
2 grandes grupos: aquéllas
que pueden visualizarse en el microscopio por afectar un sector grande del ADN, que
reciben el nombre de mutaciones cromosómicas (también llamadas aberraciones es-
tructurales),
y las que afectan sólo una o muy pocas bases nitrogenadas por lo que
tienen un nivel molecular o submicroscópico y se denominan mutaciones génicas.
Las aberraciones cromosómicas estructurales más importantes son: la deleción,
cuando falta una porción del cromosoma; la inserción, cuando aparece un segmento
adicional, y la
translocación, cuando un segmento de un cromosoma aparece en otro.
Para su estudio detallado debe consultarse un texto de citogenética.
Mutaciones
génicas
Las mutaciones génicas se producen fundamentalmente por alteraciones en
la secuencia de bases del ADN. Estas alteraciones pueden ser consecuencia del
cambio de una base por otra, entonces se les denomina puntuales. Los cambios de
más de una base son fenómenos que aunque probables resultan muy poco frecuen-
tes. Otros tipo se producen por la adición (inserción) o sustracción (deleción) de
una o más bases (Fig. 32.1).
ATGGCACGTCA
Fig. 32.1. Principales mutaciones génieas.
Las principales mutaciones génieas
son aquéllas que se producen por
el
cambio de una base por
otra (ir-
quierda), la inserción dc una base
(centro) o la deleeión de una base
(derecha). Como puede inferirse
de la figura, las consecuencias de
cada tipo dcbcn ser diferentes.

183. Se llama transición al cambio de una punna por otrao una pirimidha por otra, en
tanto recibe el nombre de transversión el cambio de una pnrina por una pirimidina, o
viceversa.
Las mutaciones pueden ocurrir en las secuencias de bases que codifican
aminoácidos de la cadena polipeptídica o radicar en secuencias reguladoras (promoto-
res, etcétera). Las que afectan las secuencias codificantes pueden estar localizadas en
diferentes partes del gen y pueden alterar el codon de iniciación, los intermedios o los
de terminación, lo cual indica que las consecuencias de las mutaciones pueden ser
muy diversas.
Cuando una mutación se produce en la zona de codificación del gen puede no
alterar la secuencia de aminoácidos en una proteína
y se denomina silente. Existen
casos en que la mutación provoca el cambio de un aminoácido por otro similar que no
altera la función de la proteína y entonces se denomina mutación neutra.
Mutagénesis
Son numerosos los agentes que pueden actuar como mutágenos pero pueden
reunirse de acuerdo con el mecanismo por el cual producen las mutaciones en los
siguientes grupos.
Mutágenos anáiogos de bases
Un análogo de base es una sustancia que no es ninguna de las bases habituales del
ADN, que puede ser incorporada a éstedurante la repücación por formar pares de bases
con alguna de las bases normales; que por tautomerización (capítulo
8) puede cambiar
so patrón de apareamiento en el siguiente ciclo replicativo y originar un cambio de
bases en el
ADN.
Un ejemplo de este tipo es el bromouracilo que es un análogo de la
timina y por
eliose apareacon la adeninaen su forma ceto,pero al cambiar a su forma enol forma par
con la guanina (Fig. 32.2) y en el siguiente ciclo replicativo aparecerá un par GC
donde antes existía uno AT.
H
l
Fig. 32.2. Análogos de bases. La parte su-
/"-"
O N perior dc la figura muestra la es-
/N .ii, "-/ \::
H-C/ \CPC ,y.---(:: (. . , .
tructura dc la timina y del
4 ,
-7 f' ',;,
5-bromourarilo, donde sc advier-
82 - y <.-i' "NN-
Y-" .'
te su siniilitud estructural. En la
H/N-~
Y)..:
parte inferior se muestra, eúma en
N=C
N=C .<' -- x
,i' -3 'N-H la forma cela, el 5-bromouraeilo
'H (j 'il
I
forma paresde havescon laadenina
H
y actúa como un análogo de la
timina. ~ero en forma enal se
Adenina 5-Br-Uracila
(forma ceto)
Guanina S-Br-Uracilo
(forma enoi)
. .
aparea con la guanina y sustituye
a la eitosina.

184. Para que esto suceda se requieren de 2 ciclos replicativos, como se muestran en la
figura 32.3.
Otro ejemplo es la 2-aminopurina que sustituye a la adenina; no tautomeriza, pero
puede aparearse con la ümina y con la citosina; aunque el apareamiento con la citosina
es muy débil es lo suficientemente fuerte para provocar en el siguiente ciclo replicativo
la transición AT->GC.
Fig. 32.3. Mutaciones por análogos de ha-
ses. Cuando durante un cielo
replieativo se incorpora el
5-bromouracila, en su forma ceto,
formará
pares de bases can la
adenina, pero
en el
eielo siguiente
cambia
a su forma
enal y se aparea
con la guanina, originando en el
próximo cielo la aparición de un
par G:C donde existía original-
mente
un par
A:T.
Fig. 32.4. principales mulágenos químicos.
Se muestran la7 eihichiras de los
mutágenm quimiem más utilizados
El &ido nitrnio (a), la hidroxila-
mina (b), sulfonato de etilmetana
(e) y la N-nitr^N'-metil- N-ni-
guanidina (d).
Un mutágeno químico es una sustancia que reacciona con alguna de las bases del
ADN y la modioca de forma que cambia su patrón de apareamiento; los más poderosos
son el ácido nitroso (HNO,), la hidroxilamina, el sulfonato de etilmetano y la
N-metil-N'-nitro-N-Ntrosoguanidina (Fig. 32.4).
O O-CH,
SS /
8 'c~H,
El ácido nihosotransforma los grupos aminos en cetónicos y por tanto, transforma
la citosina en uracilo, la adenina en hipoxantina y la guanina en xantina (Fig. 32.5),
que forman los pares UA, HC y XC; esto provoca los cambios GC en AT y AT en GC
cuando la citosina y la adenina son desaminadas. La desaminación de la guanina en
xantina no provoca mutaciones, ya que
GC da XC. Por
un proceso muy complejo la
hidroxilamina reacciona con la citosina y la modifica de manera que forma pares con
la adenina, por lo queocurre un cambio de
GC en
AT.
El sulfonato de etilmetano (o de etiletano) es un agente alqnilantes, provoca la
adición de grupos alquilos a las bases ~trogenadasdel ADN y pueden reaccionar con
la guanina y en menor grado con la adenina. La adición de un grupo alquilo en el
N-7 dela purina produce 2 efectos,el apareamiento de G con T y la labilización del enlace

185. .NH,
I -
!!
8 1
N//C C t,x,L .. ..
I II- i !l
C
,-,+ \N / C
(!4 \.V /(:
!
N-glicosídico del nucleótido que se hidroliza rápida y espontáneamente creando un
sitio apurínico, que si no es reparado, en el siguiente ciclo replicativo puede dar origen
a la aparición de cualquiera de las bases en la cadena complementaria.
El
N-metil-N'-nitro-N-uitrosoguanidiua es un poderoso mutágeno que
achía por
alquilación. En una población bacteriana produce cerca de
1 % de
mntantes y muchos
de ellos múltiples. Las mutaciones se producen en grupos muy cerca unas de otras. Se
supone que su acción se realiza en la horquilla de replicación.
Otro grupo importante de mutágenos son las llamadas especies reactivas del oxí-
geno que son un grupo de radicales libres que se forman a partir del oxígeno en
diferentes reacciones redox. Como todo radical estas especies son muy reactivas y
pueden alterar tanto las bases como la pentosa del
ADN.
Algunos colorantes como el naranja de acridina, la
proflavina y la acroflavina son
moléculas planas de
3 ciclos, cuyas dimensiones son aproximadamente iguales a las
de un par de bases, esto le permite intercalarse entre
2 pares de bases y al ocurrir la
replicación generalmentese producen inserciones de una base (muy pocas veces de 2)
y con mucha menor frecuencia deleciones; el mecanismo se desconoce.
Radiaciones
La luz ultravioleta,los rayos gamma, los rayos X y otras radiaciones ionizautes
son poderosos agentes mutagénicos. Su mecanismo de acción, así como sus conse-
cuencias se estudiarán con más detalle en el capítulo
33.
Consecuencia de las mutaciones
Las más frecuentes de las mutaciones génicas son las puntuales, las cuales se
definen como el cambio de una base por otra. En este caso pueden originarse varias
situaciones: en primer lugar puede producirse
una mutación silente, pues debido al
carácter degenerado del código genético estudiado en el capítulo
28, los cambios,
Fig. 32.5. Efecto
de agentes dessminantes.
Los agentes desaminanles, como
el ácido nitroso, actúan
sobre las
bases
nitrugenadas y al
desaminorlaseanvierten la eitosina
en uraeila (arriba), la adcnina en
hipaxantina (centro) y la guanina
en xantina (abajo). En algunos
casos estos eamhios pueden afee-
tar el patrón de apareamiento.
Componentes celulares y Cknt5tica molecular 553

186. sobre todo en la tercera base, pocas veces acarrean cambios en el aminoácido codifica-
do; en segundo lugar puede originarse una mutación neutra, lo que significa que,
aunque se produce el cambio de aminoácidos, éstos son
tan
simüares que no producen
afectaciones del producto génico; por último, puede producirse un cambio de
aminoácidos que afecte sensiblemente la estrnctura y por consiguiente la función de La
proteina codificada, modificando el fenotipo y éstos son los que pueden reconocerse
como mutantes (Fig.
32.6).
TTTGCCCTAAGT
UUUGCCCUOAGT
UUUGC hU AGT
Fig. 32.6. Consecuencia de las mutaciones puntuales. Al producirse el cambia de una base par otra,
las consecuencias pueden ser diferentes debido al carácter degenerado del código
genética.
El cambio de A
x G da origen a una mutación silente (derecha), pues se codifica el mismo
aminoácido;
C x A produce una mutación neutra, pues cambia la leucina par la isoleucina
que
son
aminoácidos del mismo tipo (centro); por último, el cambio de T x G, si debe
originar
un
fenotipo mutante, pues la leurina que es un aminoácida apolar se cambia por
arginina (izquierda)
que es del tipo polar
iónico.
Otro tipo importante son aquéllas que transforman el codon de iniciación, lo que
impide la síntesis de la proteína, pues en las concentraciones fisiológicas de Mg2+, sólo
con el codon AUG puede iniciarse la síntesis.
En otros casos están implicados los codones de terminación que pueden dar lugar
a
2 situaciones diferentes: una es que un codon de
lectnra sea convertido por el mutágeno
en un codon de terminación, con lo cual provoca la terminación abortiva de la cadena
polipeptídica; la otra, ocurre cuando un codon de terminación es convertido en un
codon de lectura, lo cual ocasionará un aumento en el número de aminoácidos de la
proteína haciéndola generalmente inservible (Fig.
32.7).
Fig. 32.7. Mutaciones que afectan la termi-
nación.
En el primer casa (izquier-
da), el cambio
G
x A da origen a la
aparición de
un
eadon de termi-
nación
y la terminación anticipa-
da de la síntesis de proteínas. En el
segundo
casa (derecha), el cam-
bio
A x C transforma un codon de terminación en
uno de
tirosina y
can ello prolonga la cadena
polipeptídica más allá del limite
normal.
CCCTGGCATTAAGCC
CCCUGGCAUUAAGCC
Pio - Trip - His - m
CCCUGACAUUAAGCC
Pla T-
CCCUGGCAUUACGCC
Pro ~Tnp His - m - Ala
Estas mutaciones pueden afectar también las zonas reguladoras, por ejemplo, la
fortaleza de un promotor depende enhp otms factores de
la secuencia consenso TATAAT,
por lo que una
mutaci6n que aleje la secuencia real de la consenso debilitará al promo-

187. tor, y la que lo acerque, lo hará más fuerte. Situaciones similares pueden originarse en
otras secuencias reguladoras como seestudiará en el capitulo 34. Las inserciones y las
deleciones provocan un corrimiento del marco de lectura, pues como los codones son
leídos uno a continuación del otro, la adición de una base dará lugar a una lectura
diferente a partir del punto de inserción. Igual sucede con las deleciones (Fig. 32.8).
GCAATCCTTTTTCAGGGGAAA
GCAAUCCUUUUUCAGGGGAU
Alii 1 1.w - Feii - Gln GIi 1.1
+<;
GCAATCGCTTTTTCAGGGGAAA GCAATCTTTTTCAGGGGAAA
GCAAUCGCUUUUUCAGGGGAAA GCAAUCUUUUUCAGGGGAAA
Ala
,
IIc 4a h 1 &L : GL && Ala - lic Fcn - Fen - úlii - Git - Li,
Las consecuencias de inserciones y deleciones son diferentes según el punto
donde se producen, teniendo mayor connotación aquéllas que ocurren en los codones
iniciales, pues originan un producto totalmente alterado. Este tipo de mutaciones
puede alterar también las secuencias reguladoras, pues en ocasiones 2 secuencias
típicas deben estar separadas por un número determinado de bases para ser efectivas,el
aumento o disminución de este número puede alterar la función regnladora.
Mutaciones mayores
Con una frecuencia muy
haja ocurren cambios que afectan secuencias de muchas
bases (hasta miles) y que taxnbiéndebenser consideradas como mutaciones; las principa-
les son deleciones, duplicaciones
y rearreglos. Las deleciones de 100 hasta l 000 pb
ocurren espontáneamente, pero pueden ser estimuladas por agentes de entrecruzamiento;
presumiblemente los largos segmentos
entrecruzados son eliminados de alguna forma,
quizás con la participación de algún mecanismo de recombinación.
En una duplicación (o triplicación que también puede ocurrir) una secuencia de
bases se repite y aparece organizada en tándem (Fig. 32.9). La longitud del segmento
duplicadoes típicamente tan larga que incluye a variosgenes. Estemecanismoes poco
frecuente en bacterias, pero se observa en anfibios durante el mecanismo de amplificación
genética y en células de mamíferos relacionado con los mecanismos de resistencia a
algunas drogas como se discute en el capítulo 84.
Parece ser que la duplicación de genes ha desempeñado tina función importante
en el proceso de la evolución; como un gen duplicado puede mutar independiente-
mente del otro, a partir de un gen Único puede producirse una familia de genes que
tiene un grupo de características comunes, pero posee aspectos específicos que los
diferencian y que, además de una ganancia de material genético, puede dar origen a
proteínas con funciones similares, pero con algún grado de diferenciación. El ejem-
plo más sobresaliente lo constituye el gen de la globina, que al parecer era único en
un inicio
y que por mecanismos de duplicación y después por mutaciones indepen-
dientes ha dado lugar no sólo a las cadenas que componen los diferentes tipos de
hemoglobina, sino también a la mioglobina, una proteína muscular relacionada con
el almacenamiento de oxígeno en determinadas fibras musculares.
Un
rearrrglo típico es la inversión,
un
segmento de ADN que es separado y reinsertado
con una orientación invertida (Fig. 32.9). Los rearreglos de este tipo generalmente origi-
nan un fenotipo mutante con respecto a los genes involucrados, pero si no son esencia-
les para el crecimiento a veces no son detectados.
Los mecanismos moleculares de la duplicación
y el rearreglo no son conocidos,
presumiblemente impliquen errores de replicación, recombinación, o ambos.
Fig. 32.8. Inrercienes y dcleciones. 1.n in-
serriiin (izquierda) y la deleciún
(derecha) de
una
hase alteran la
secuencia de aminoácidos de la
proteína.
a
partir del punto doiidc
se produjo la mutacióii. ObsCrve-
se que mientras mis cercana sea la
rnutacibn al inicio del gen, en nia-
)or grado alterará la estructura de
In pwteina que el gen codifica.
AGCTGCTATCCGA
TCCACGATACCCT
+
ACCTCCTATCGCIATCCCA
TCGACCATAGCGATAGGCT
+ +
AGcTCTATCGCGA
TCGAGATAGCGCT
¢-
Fix. 32.9. Mutaciones niayorcs. La dupli-
cación y la inversión de grandes
sectores del
ADN constituyen fe-
nómenos que
ao son pocu fre-
eucntfs y que generalmente im-
plican varios genes. Los mecaiiis-
inus de producción de cslus tipos
dc niirtaciones son desconocidos.
Componentes celuiares y Oenttica molecdar 555

188. Supresión
Fig. 32.10. Reversión intrafihica. La es-
tructura de la prolcína representa-
da
en la figura
sc mantiene exclu-
sivamente par una interacción
iónica entre
2 aminoácidos espe-
cifico~. Si
una mutación afecta a
uno de ellas, la
proteína puede rc-
aperar su conformación inicial
por otra mutación que restituya el
mismo aminoácido
u
otra de lo
misma carga,
o un
aminaáeido que
cambie la carga del otro
aminoScido que interviene en la
interaceión.
Hasta ahora sólo se ha visto el proceso de obtención de mutantes a partir del tipo
silvestre, el fenómeno contrario también existe y se le denomina retromutación o
reversión. Una forma de reversión seria queel mutante recuperarael genotipo original,
pero eso no siempre ocurre, pues existen muchas formas de reversión.
Si se colocan lo4 bacterias Leu- en un medio carente de leucina no se obtiene
crecimiento alguno, pero si colocamos lo7 bacterias Leu-se recogen unas pocas colo-
nias Leu', esto se debe a que estas bacterias elaboran su propia leucina y se les llaman
revertantes. El hecho de que muestren un fenotipo Leui no significa necesariamente
que presenten el genotipo leu+ original.
La reversión es debida a mutaciones espontáneas
y por lo tanto, es un proceso
azaroso que no está influido por el medio carente de leucina, pero éste permite
detectarlas.
En el laboratorio es posible estimular la reversión con el empleo de
mutágenos.
Algunos análisis matemáticos de las frecuencias de mutaciones espontáneas de-
muestran que el genotipo original sólo se lograría en una por cada 15 x 10'Océlnlas,
peroexperimentalmen~ sedei&estraqne el fenotipo original se obtiene en una frecuen-
cia de una por cada 108células. La explicación seria que la mutación ocurre en otro
sitio diferente, que permite recuperar el fenotipo original, a este tipo se ledenomina
mutaciones de segundo punto o supresoras. En ocasiones la segunda mutación ni
siquiera ocurre en el mismo gen, por lo que deben distinguike las supresiones
intragénicas de las extragénicas.
El estudio del producto génico ha demostrado que en la mayoría de los casos la
sustitución del aminoácido original permanece, pero ha aparecido un segundo cambio
que compensa al primero. Considérese el ejemplo hipotético que se muestra en la figura
32.10, de una proteína de
97 aminoácidos
cuya estructura está determinada completa-
mente por una atracción iónica entre un aminoácido
(+) en la posición 18 y otro (-) en la
64; si ocurre una mutación que cambia al aminoácido 64 por uno
(+), la proteína será
totalmente inactiva. En este
caso se puede lograr la reversión de3 formas principales:
1. Una mutación que haga que a la posición 64 regrese el aminoácido original.
2. Una mutación que cambie el aminoácido (+)de la posición 64 por otro (-) aunque
no sea el original.
3. Una mutación que produzca la aparición deuu aminoácido (-) en la posición 18.

189. En todos los casos señalados se recuperada el fenotipo original, aunque sólo en el
primerose restituiría el genotipo silvestre.
Otra situación ocurre con las mutaciones que provocan alteraciones del marco de
lectura; una inserción puede revertir como consecuencia de una deleción y viceversa,
en estos casos mientras más próxima se produzca la segunda mutación, mayor será la
probabilidad de obtener el fenotipo silvestre.
Los casos analizados hasta el momento corresponden a supresiones intragénicas,
pero también existen las extragénicas. Suponga que una proteína está formada por 2
subunidades, cada una de las cuales está codificada en un gen diferente. Si una muta-
ción en uno delos genes afecta el sitio de reconocimiento entre las 2 subunidades, no
se podrá formar el dímero
y la proteína estará inactiva. Si ocurriera una mutación en el
otro gen que modificara el sitio de reconocimiento de manera que pudiera formarse el
dímero. se restituiría el
tiuo silvestre.
Otro tipo de mutaciones extragénicas se encuentra en el caso de las mutaciones
queoriginan codonesde termiuación, en estos casosla síntesis dela proteína dada se
interrumpe cuando el codon mutado aparece. Una mutación en ARNt que permita leer
ese codon actuaría como supresora.
Mutaciones en humanos
El genoma humano surge como consecuencia de un largo proceso de evolución y
no está exento de alteraciones mutacionales. Los actuales métodos de análisis han
permitido demostrar la existencia de mutaciones de todo tipo en los seres humanos; en
algunos casos estas mutaciones no tienen ninguna significación
y se descubren como
resultado de estudios masivos en grandes poblaciones, que se realizan en busca de
situaciones anormales, por lo que surge el concepto de
polimorftsmo que se refiere a la
existencia de numerosas formas (secuencias) de una misma proteína, tengan o no un
significado patológico.
El cm más sobresaliente es el de la hemodobina de la cual se conocen alrededor de
400 tipos diferentes,aunque sólo unos pocos de ellos causan alteraciones morbosas.
Las deleciones también aparecen en humanos
y son causas de diferentes enferme-
dades, un resumen de éstas se presenta en el cuadro
32.1.
Cuadm 32.1. Algunas enfermedades debidas a deleciones génicas
Gen Enfermedad
Factor VI11 de la coagulación Hemofilia
A
Factor IX de la coagulación Hemofilia B
21-hidroxilasa Hiperplasia
adreual congénita
Fenilalanina hidroxilasa Fenücetonuria
Receptor de
LDL
Hipercolesterolemia familiar
Colágeno Ial Osteogénesis imperfecta severa
Hipoxantina guanina
fosforibosil transferasa
Síndrome Lesh Nyham

190. Como resumen de las distintas alteraciones que pueden presentar los genes huma-
nos el cuadro 32.2 muestra diferentes causas de p-talasemia, una enfermedad que se
caracteriza por la síntesis de cantidades insuficientes de la P-globina, ésta
es una de las
cadenas polipeptídicas que componen la hemoglobina. Se puede apreciar como exis-
ten mutaciones que afectan a los exones
y a los intrones e incluso a secuencias
repladoras, a codones de iniciación
y de terminación, etcétera.
Cuadro
32.2. Mecanirnos moleculares productores de talasemias
Mecanismo molecular Ejemplos
1. Mutaciones puntuales
a) Transcripción defectiva
mutaciones del promotor
b) Defectos de maduración del ARNm
corte anormal
nuevo sitio de corte
intrón dentro del gen
sitio de poliadenilación
G a A intrón
1 posición 1
G a A intrón 2 posición 1
G a C intrón 1 posición 5 (2)
GAG a AAG en codon 26 (5)
GaA en 110intrón l(3)
G a T en 654 intrón 2 (4)
AATAAA a AACAAA
(4)
c) Traducción defectiva
terminación premahua codon 17 A a T = lis a ter
codon 39 C a T = glN a ter (3)
2. Deleciones
a) Transcripción defectiva parcial de 619 ph (6)
b) Defectos de maduración 25 pb extremo
3' de
intrón 1
c) Traducción defectiva 2 bases en el codon 8
4 bases en codones 41/42
3. Inserción
corrimientodel niarco delectura
1 base en
819
1 base en 71/72 (4)
(1) En negros americanos. (2) En indius asiáticos
(3) ITu ineditei-ráncos. (4) En chinos.
(5) Currespiiiide a Hh E. (6) La Hh Leporc.
Resumen
Las mutaciones son alteraciones que se producen en el material genético y que
se trasmiten a los descendientes. Los agentes mutagénicos o mutágenos son aqué-
iios capaces de producir mutaciorm, que pueden ser de nahiralem ñsica o química.

191. Los principales tipos de mutaciones géniw son las puntuales, por sustituci6n de
una base;
las
hedones, por la adici6n deuua base, y las deldones, por la sustrac-
ción de
una base.
Las mutaciones pueden ser
espontáneas si se producen como coll~eeueucia de
la actividad normal del organismo o inducidas cuando en ellas interviene la mano
del hombre, con intenciones experimentales, accidentalmente, o por
una actitud
criminal.
Las mutaciones pueden provocame eon la utilizadón de análogos de bases como
el bmmouracilo y la Zaminopurina; mutágenos quimicm corno el ácido nitmso, la
bidmxüamk, la N-meol-N-niímN-ni-dina y el dionato de eülmetano,
los cuales modifican las bases nitmgenadas cambiando su patrón de apareamiento.
'IgmbiQi son mutagéniw las radiaciones ulúavioleta, las ionizantes y las susíanfias
intercalantea como el naranja de acridina, la pmflavina y la aeroflavina
Los efeftos causados por las mutaciones pueden ser diferentes según el tipo de
mutación (puntnal, hed6n y deleeión) y el sitio donde se producen (secuencias
codificantes o reguladom).
Otros tipos de mutaciones afectan grandes sectores del ADN como las grandes
deleeiones, las duplicadones y los rearreglos cuyos mecaniwos son desconocidos.
La supresión es el mecanismo por el cnal a parür de un mutante se logra
obtener el fenotipo dvestre y ésta se debe ala ocurrencia de una segunda mutación
en el mismo gen (intragénica), o en un
gen
Merente (extragénica).
Existen numerosos ejemplos de mutaciones en humanos muchas de las cuales
son causas de enfermedades, el ejemplo más destacado como sucede en otms aspee
tm ya estudiados es el gen de la globina, que codifica la podón pmteínica de la
hemoglobina.
Ejercidas
1. Qué tipo de mutación (transición o transvenión) se produce si un cultivo celular es
tratado con:
a) bromouracüo
b) 2-aminopurina
c) ácido nitroso
d) hidroxilamina
e) sulfonato de etilmetano
: f) N-metil-N'-nitro-N-nitrmoguanidina
2. ¿Qué tipo de mutaciones se originan con el uso de las llamadas sustancias in-
tercalantes?
3. A continuación se muestra la secuencia de la hebra codificante de un segmento de
ADN queusteddebe tomar como referencia para responder las preguntas siguiente:
1. Escriba la secuencia del péptido que se codifica.
11. Cómo se modifica esa estrnctura si:
a) cambia
A x T en la posición 12 b) cambia
T x C en la posición 15 c) cambia T x A en la posición 8
d)inserta un G entre 16 y 17
e) deleción de la C de la posición 21
0 cambia T x A en la posición 2
g) cambia G x A en la posición 27
h) cambia
A x G en la posición 30 4. ¿Cómo pudiera suprimirse una mutación por otra dentro del mismo gen?
5. ;Cómo puede suprimirse una mutación por otra que ocurra en un gen diferente?
6. Si 2 células bacterianas tienen el mismo fenotipo, jnecesitan tener el mismo
genotipo?
Componentes
celulares y Genbtica nmlecuh 559

192. No existe Nnguna otra biomolécula cuya integridad tenga para la célula el significa-
do vital que tiene el
ADN. Todas
lascaracterísticas estructurales y funcionales de la célula
están codificadas eii última instancia en estas grandes
y complejas moléculas. La
pmihi-
lidad de expresar esas características como la de poder trasmitirla a sus descendientes
dependen en elevado grado de la integridad estmctural de estas moléculas, tanto de su
estructura primaria como de su arquitectura tridimensional.
No obstante, las posibilidades que tiene esta molécula de sufrir alteraciones es bas-
tante elevada, ya sea durante su funcionamiento como molde para la replicación y la
transcripción, como por su snsceptibilidad a la acción de agentes fisicos y químicos
provenientes del exterior o del interior de la célula.
No es de extrañar que durante los millones de años de la evolución, tndos los organis-
nios. desde los unicelulares hasta los plnricelnlares hayan desarrolladomecanismos que
lc periiiitaii conservar dentrode ciertos ümites la más elevada fidelidad de la información
contenida enel ADN.
En la sección de hiomoléculas quedb demostrado que la sola estructura del
ADN,
con
siis elevadas estabilidades quimicofisica y metabólica constituye un primer nivel de
seguridad en la conservación,su asociación con proteínas en organizaciones de cada vez
iiiayor complejidad aumentan el grado de seguridad que se incrementa aún más en los
eucariontes, donde el ADNestá confinado al núcleo y separadodel restodela célula por
una envoltura de doble membrana
El
ADN
noconstituye una molécula invulnerable a la acción de agentes queoriginan
en él cambios que pueden traduciiseen daños a su estructura
y por ende
enalteraaonesde
sus funciones.
En este capítulu .se examinarán la principales clanos que puede experimentar el ADN
celular, así como los diferentes sistemas que tienden a comervar la información original,
tanto durante la actividad normal de lacélula comoeii respuestas algún agente agresor,
por último. sc estudiari cómo algunas alteraciones en los sistemas de conservación pue-
den originar alteraciones niorbosas en los seres humanos.
Cuiiio fiierhtudiacli~ eii el rapítulo31,las bacterias pnedencapturar ADNdel medio
cxtracelular e incorporarlo
a su
genoma por el fenómeno de transformación; éste sin
embargo. tiencsus limitaciones. La bacteria escapazdedistinguirentrrel ADN propio?.
elextraño,lo que viriir dado porqiic cada cspccie hacteriana posee un grupo de enzimas
que metilan el ADY e11 posicioiirs esl~ecíficas. principalmente en adenina y citosina.
creando un patróii de iiietilación que indica el origen del ADN; este proceso se conoce
como niodificaciún. Si~iiiiltáiieaineiite existe un conjunto de endonucleasas que si al

193. interactuar con el ADN en los mismos sitios no encuentran el natrón de metilación
característico de su especie, entonces lo hidrolizan; este fenómeno se denomina res-
tricción. En su conjunto el sistema de
modificación-restricción protege a la célula
contra
la contaminación de moléculas extrañas de ADN.
En la tabla
33.1 se relacionan algunas de las enzimas de restricción mejor caracte-
rizadas y
sus sitios de acción.
Aunque cada especie presenta su propio patrón de metilación, cualquier molécula
de ADN de origen extraño que logre incorporarse a la bacteria, será reconocido como
ajeno
y resultará
hidroluado por las endonucleasas.
lhbla 33.1. Enzhas de restricción y sus sitios específicos de acción
- -
Enzima Microorganismo Sitio específico
A.
EcoRl Esrherichia coli GXAATITC
BamHl B.rii>iiloliq~i~f~~cie~~,s H G*GATCC
Bgll
B.
globigli A*GATCT
Hindlü H. inIluenzae A*AGCm
Sall S. nlbus G G*TCGAC
T-1 T riqrioficus T*CGA
B.
Ball B. albidum TGG*CCA
Hael H. aemphL<_ GG*CC
SmaI S. marcescens CCC*C&G
* Indica el punto del corte.
Lcycnda: A: Generan fragmentos monofibrilares. B: No generan fragmentos nionofibriiares.
Los sistemas de modificación-restricción se clasifican en 3 grupos, cuyas caracte-
rísticas principales se muestran en la tabla
33.2.
lsbla33.2. Características de los diferentes tipos de enzimas de restricción
Caracterísoca Tipo 1 . Tipo U ~i~ m
Actividad modificación-reshicción
~cturapmteúiica
Requerimientospardla mhicción
Requerimientmpardla metilación
Secuencia específica
Sitio de hidrólisis
Restricción g metilación
Sitio de melilación
Multüuncimial simple
3
subunidade diferentes
ATP, SAM, Mg"
SAM (ATP, Mg")
T-G-A-N -T-G-C-T
1000 pb del sitio de unión
Mutuamenteexcluyentcs
Especíñco
*aradas
Simple
Mg2*
SAM
hhdmmi~
En el sitio de unión
separadas
Específico
Multifuncional simple
2subunidadesdiferentes
ATP, Mg" (SAM)
SAM (ATP, Mgi')
A-G-A-C-C
26 pb del sitio de unión
Simultáneas
Ekpecítico

194. u"!me ~od wvs ua aluauienanu asq.rahuoJ anb aua!) 'N(TV le ol!)aui odn~9 ni apaJ wvs la

195. Fig. 33.2. Reparación de bases alteradas.
Cuando por acción de algún agente
una
basc resulta dañada se vrodu-
ce una distorsión en la molécula
del ADN
que sirve de señal a los
sistemas de
revaración. Una enzi-
ma N-glicosidaaa hidraliza el en-
lace N-glicosidieo entre la base y
la desoxirrihosa. creando un sitio
AP (apurinico o apirimidínico).
Las endonueleasas AP hidroliran
el enlace fasfadiéstcr inmediato.
La ADN
polimerasa 1 comienza a
incorporar nucleótidos al extremo
3 ' -OH, desplazando la hebra da-
ñada.
Una
endonucleasa o la pro-
pia polimerasa 1 separan el seg-
mento que estaba dañada y la
ADN ligasa eicrra la brccha, dán-
dole integridad
a la
hebra y dejan-
do la niollcula reparada.
Las
enzimas del tipo IIIconstan detsubunidades, una R y otra SM, con un tamaño
de 106 a 110 kD para la
R y de 73 a 80
kD para la SM, y para la unión al ADN se
requiere de ATP. Una vez unida, las 2 actividades compiten entre sí, la metilación en el
sitio de unión y la restricción unos 24 a 26 pb a uno de los lados.
Esta actividaddelas enzimasse está realizandodemanera constante lo que constitu-
ye
un sistema de
conhol de la integridad del ADN celular, pero cuando se pmdnce un daño
sobre el ADN, se ponen en acción otros mecanismos enzimáticos que reciben el nombre
genérico de sistemas de reparación. Se presentarán brevemente los principales tipos de
daño que pueden ocurrirleal ADN y los mecanismos que permiten su reparación.
Daños al
ADN
Existen 3 mecanismos fundamentales que pueden provocar alteraciones estructu-
rales en el ADN y que son: la sustitución de bases durantela replicación, el cambio de
bases como resultado de una inestabilidad química inherente a la estructura de la base
o del enlace N-glicosídico y las alteraciones resultantes de la acción química o de otro
tipo de agentes ambientales. Estos mecanismos provocan algunos defectos.
Bases mal
apareadas
Una delas hebras contiene una base qoeno puede formar puentes de hidrógenos
adecuados con la otra hebra. Este defecto puede ser el resultado de un error en la
replicación que no haya sido rectificado por las polimerasas, lo cual es muy poco
frecuente. Otro más común es la desaminación espontáneade citosina a uracilo segui-
do de la conversión de éste en timina, y menos frecuente,la desaminación de adenina
a hipoxantina que forma pares de bases con la citosina y no con la timina.
Estos errores son corregidos por un sistema de N-glicosidasas que comprende las
fases representadas en la figura 33.2.
En primer lugar se produce la desaminación, más tarde la Uracil N-glicosilasa
(O Hipoxantina N-glicosilasa) hidroliza el enlace N-glicosídico de esos nucleótidos
dañados, dejando la base de la hebra opuesta sin apareamiento. Un grupo de
endonucleasas conocidas como AP (apurínicas o apirimidínicas) hidroliza el enlace
fosfodiéster cuya base ha sido removida, y otros enlaces algunos nucleótidos más
adelante,dejando una brecha en la banda dañada. La ADN polimerasa 1 Uena la brecha,
pues dispone del extremo 3 ' -0H necesario y, por último, la ADN ligasa sella los
extremos apareados por la polimerasa 1 y el ADN queda reparado.
Bases perdidas
El enlace N-glicosídico de los nucleótidos de purinas se rompe espontáneamente
a temperahiraf~iológicaca con baja velocidad, en un proceso denominado despurinifica-
ción. Se puede romper un enlace por cada 300 purinas por día a 37 'C y pH 7,10 que
representa unos
1 000 enlaces en una célula animal. La velocidad aumenta al dismi-
nuir el
pH o al aumentar la temperatura. Como se trató en el capítulo 32, los agentes
alouilantes aceleran este oroceso.
Una vez roto en enlace N-glicosídico el proceso de reparación es igual al caso
anterior, comenzando con la acción de las endonucleasa AP.
Alteraaones de bases
Las bases nitrogenadas pueden ser transformadas en una amplia variedad de com-
puestos químicos por la acción de numerosos agentes físicos y químicos, como por

196. ejemplo las radiaciones ionizantes (las partículas beta emitidas por radioisótopos na-
turales, o los rayos X) pueden cansar la rotura de los anillos de purinas y pirimidinas y
originar diferentes tipos de sustituciones químicas. La base más susceptible es la timina,
uno de sus cambios más frecuentes es su conversión en 5,6,dihidroxidihidrotimina
(Fig. 33.3 a)). Los radicales libres que se producen durante el desarrollo de diferentes
reacciones metabólicas también pueden originar múltiples cambios.
Una de las alteraciones de bases mejor estudiada es la formación de dímeros de
pirimidinas, especialmente de timina, provocada por la luz ultravioleta (Fig. 33.3 b)).
La formación de estos dímeros por una parte distorsiona la hélice, pues las bases se
aproximan una a la otra, y por otra parte debilitan los puentes de hidrógeno con el par
correspondiente de la otra banda, esta situación causa la inhibición de la replicación y
de la transcripción.
Rohuas de una hebra
Muchos son los agentes que pueden provocar la rotura del enlace fosfodiéster
entre ellos los peróxidos, los compuestos que contienen grupos sulfihidrilos (como la
cisteína) y metales, como el Fe" y el Cu"'. También se puede originar por radiaciones
ionizantes. Lai desoxinibonncleasas que siempre están cerca del ADN pueden acciden-
talmente provocar tales roturas.
Roturas
en
las 2 hebras
Se producen cuando se utilizan radiaciones ionizantes muy intensas que al provo-
car rotura al azar en el
ADN, puede suceder que 2 de ellas se produzcan en sitios muy
cercanos pero en bandas opuestas. Generalmentese dañan las bases adyacentes y estas
lesiones casi nunca pueden ser reparadas
(Fig. 33.4).
Enlaces entrecruzados
Algunos antibióticos (mitomicina C) o reactivos químicos (ion nitrito) pue-
den dar lugar a la formación de enlaces covalentes entre las bases de la misma
Fig. 33.3. Alteraciones de la timina. La
timina es la base más sensible a los
daños.
(a)
La formación de 5.6,
-dihidruxidihidratimina. (b) La
formación del dímcro de timiiia
por la acción de los rayos
ultravioleta.
Fig.
33.4. Roturas
dc bandas. Las radiaciu-
nes ionizanles pueden provocar las
roturas
de bandas. Cuando la ra-
diación no es
muy intensa si pro-
ducen roturas dc una sola handa,
pero cuando son muy intensas pro-
vocan roturas múltiples que dc
ocurrir
en sitios muy Cercanos, y
en
hehras apuestas, pueden dar
lugar
a la fragmentación de la
molécula del ADN.

197. Fig. 33.5. Agentes dc entrecruzamiento. Les
agentes que producen enlaces
covalentes entre las bascs del ADN
pueden hacerlo uniendo bases de
la misma hebra
o bases de las he-
bras complementarias. Estos
agen-
tes son fuertes
inhibidores de la
replieaeión y de la transeripei6n.
IIII
IIII
Fig. 33.6. Reparación por fotorreaetivación.
Cuando Is luz ultraviolela prova
ca la formación de dimeros de
timina y se produce la distorsión
de la doble hélice, ésta inferaetús
ion el producto de los genea uvr.
Si la bacleria se expone a la luz, el
sistema
se activa y repara el daño
al eliminar
los
enlaces que provo.
earm la formación del dimero.
1111
1111
hebra o de las 2; esto impide la separación de las hebras durante la replicación o
la transcripción (Fig. 33.5).
Sistemas de
reparaaón
Los sistemas de reparación son de 2 tipos fundamentales: los que dependen de la
luz (fotorreactivación) y los que nodependen de ésta (reparación oscura). El segundo
tipo incluye 3 niecanismos fundamentales: reparación por escisión, reparación por
recombinación y la respuesta SOS.
En todas las células, desde las bacterianas hasta las humanas, ha sido aislada una
enzima que interviene en la reparación del daño causado por la irradiación con la luz
ultravioleta; eUa cataliza la ruptura de los dúneros de timina (los dúneros de citosina
y
de citosina-timinase forman en menor proporción y también son reparados por esta
enzima) siempre
quese produzca una fuerte irradiación con luz visible (300-600 nm)
preferiblemente luz solar (Fig. 33.6).
Reparaa6n por eseisi6n
A diferencia del anterior, este mecanismo comprende vanas etapas catalizadas
mediante enzimas que aparecen representadasenla figura 33.7. En el primer caso una
endonucleasa reconoce la distorsión provocada por el dímero de timina y produce la
hidrólisis del enlace fosfodiéster hacia el lado
5' del dímero.

198. La ADN pol 1 comienza a anadir desoxinucleótidos al extremo 3' y produce el
desplazamiento de la banda que contiene al dímero unos
20 nucleótidos. El segmento
es hidrolizado por la ADN
pol 1 o por otras endonncleasas. El segmento separado es
hidrolizado hasta desoxinucleótidos simples más el dímero de timina que es expnlsa-
do de la célula y puede recuperarse en el medio de cultivo. El paso final consiste en
unir el nuevo fragmento a la hebra que se realiza por acción de la ADN ligasa.
La actividad de escisión en la
E. colidepende del producto de 3
genes, uvrA, nvrB
y uvrC. Los productos deuvrA y uvrB constituyensubunidadesde una proteína com-
pleja con actividad de endonucleasa, el producto de uvrC es necesario para la máxima
actividad in vivo, pero su función exacta se desconoce.
El sistema uvr es capaz de reparar lesiones distintas a los dímeros de timina siem-
pre que éstas produzcan una distorsión de la hélice.
Reparación por
remmbinaah
El estudio con mutantes descubrió que la E. coliposee otro sistema de reparación
diferente
al
nvren el cual está implicada la proteína RecA ya estudiada en el capítulo 31.
Fig. 33.7. Reparación por esiisióii. Eii au-
sencia de la luz, los dimcros de
timina son eliminados por la ac-
ción combinada de las endonurlea-
sas qiie cortan la hebra de ADN cn
un sitio próximo a la lesión, la
ADN polimerasa que rellena el es-
pacio que dejó el dimero y la lignsa
que le da integridad a la hebra re-
parada.
Componentes celulares y Genética moleailar 567

199. Fip. 33.8. Reparación por reronibinación.
Cuando
en el momento de la
replicación
las ADN
polimerasas
encuentran un dimero de timina,
reinician la rcplicaeión soslaysn-
do el dímero. Posteriormente, por
un mecanismo de
recombinación
se utiliza el sector no dañado de la
otra molécula vsecampleta la ban-
Cuando en la replicación la ADN pol 111 encuentra un dímero de timina, se detiene
unos segundos
y después
reinicia la replicación soslayando la existencia del dímero y
dejando brechas en la hebra hija. De esta forma no pueden producirse células hijas
viables, pues las moléculas de ADN contendrían largas brechas dondequiera que se
encontrara un d'únero de timina; sin embargo,
es posible obtener moléculas hijas ade-
cuadas mediante un mecanismo conocido como intercambio de hebras hermanas.
La idea esencial consiste en que las brechas se llenan con una banda buena de la
otra molécula por
un mecanismo similar a la recombinación (Fig.
33.8).
Si al
replicarse una molécula de ADN, la polimerasa se encuentra con un dímero de
timina en una hebra, la enzima reinicia la replicación más allá del dímero, dejando una
brecha en la hebra hija; se produce entonces la invasión de la molécula por una hebra
en buen estado de la otra molécula. En este paso es donde probablemente participa
RecA. La banda invasora es cortada
y por la acción combinada de la ADN pol
1 y la
da neoformada; este mecanismo l l l I I
aunque no elimina el daño, per-
l l 1 l l l l
LLlA ' ! ! l I!
, ,
-
mite que la molécula se replique y,
que al producirse la división celu-
lar, ambas células hijas reeihan una
molécula viable de
ADN.
1 l /lIlIl 1 I I l
l I I I l

200. ADN ligasa queda incorporada a la molécula, esto hace que aparezca una brecha en la
otra molécula quees reparada por la acción combinada dela ADN polimerasa 1 y la
ADN ligasa.
La reparación por recombinación ha sido demostrada en numerosas bacterias,
pero no se conoce si existe en las células animales.
Sistema
SOS
En este mecanismo se produce la síntesis del ADN de forma continua sobre los
dímeros de timina, por lo cual se obtiene un producto que contiene numerosos errores.
Este sistema no está perfectamente esclarecido, pero al parecer determina una pérdida
de la actividad correctora de la ADN pol 111. Muchos genes bacterianos están
involucrados en la respuesta SOS, de ellos los que mejor se han estudiado son el recA
y el lexA. El gen lexA codifica una proteína que actúa como regulador de la síntesis de
numerosas proteínas, entre ellas de RecA y LexA. Cuando esta proteha está presente (y
normalmente lo está), los genes que intervienen en el sistema SOS están inactivos, o
sea, muy poco ARNm es transcrito a partir de ellos. En estas condiciones RecA no
presenta actividad proteolítica, sin embargo, cuando la replicación es bloqueada, la
pequeiía cantidad de RecA presente
es activada
ensu formaproteolítica,para lo cual es
necesario la presencia de segmentos de ADN de una sola banda. Esta actividad
proteulítica funciona sólo sobre determinadas proteínas, una de ellas es LexA que es
hidrolizada en
2 fragmentos que
noson capacesdeinhihir lasíntesis delos ARNm, por
lo que las proteínas del sistema SOS son sintetizadas. Estudios recientes parecen
demostrar que LexA sufre un proceso de autoproteólisiis que
es estimulado cuando está
asociada con RecA. Fenómenos similares ya han sido descritos para otras proteínas.
Cuando la reparación se ha completado RecA pasa a su forma inactiva
y LexA
vuelve a desconectar el sistema rápidamente.
Reparación de otros daños
El
dañocausado por los agentes que provocan la aparición de enlaces entrecnizados
es reparado con la participación de los productos de los genes uvr
y rec, pero se
desconoce su mecanismo.
La reparación de las roturas de una banda requiere el concurso de la ADN pol
1 y la
ADN ligasa. Estas roturas generalmente se acompañan de alteraciones de las hases
adyacentes con la frecuente formación de la 5,6,dihidroxidihidrotimina y su separa-
ción requiere dela actividadde una endonucleasa específica diferente a la utilizada en
la eliminación de los dímeros de timina. aunaue el mecanismo es similar. cuva existen-
cia ha sido demostrada en casi todos los organismos incluyendo al hombre.
Los mecanismos de reparación de las roturas en las
2 hebras del ADN han comen-
zado a dilucidarse recientemente
y no existe aún una visión muy completa del proce-
so, de todas formas es
bueno señalar que se trata del tipo de daño más dificil de reparar.
Alteraciones de la reparación
En los últimos años el estudio de varias enfermedades genéticas han llevado a la
conclusión de que en algunas de ellas existen alteraciones del sistema de reparación
del ADN. En algunos casos parece ser la causa primaria, mientras que en otros se trata
sólo de una deficiencia secundaria, por ejemplo, el
Xerodermapigmentosum, la ataxia
telangiectásica, el síndrome de Fanconi y el síndrome de Bloom.
El Xerodermapigmentosum es una enfermedad que afecta la piel
y el sistema
nervioso. La exposición a la luz solar en los primeros meses produce eritemas, que

201. duran varios días, y bronceamiento acentuado. Las lesiones son más intensas y más
tempranas en las regiones del cuerpo expuestas al sol: cara, cuello, dorso de las manos,
etcétera. La esclerosis dérmica progresiva y las contracturas conducen a la deforma-
ción dela boca,los ojos y la nariz. Comúnmenteexiste fotofobia con blefaritis,quera-
titis,opacidades y úlceras. Muchos pacientes mueren antes de los 20 años por neoplasma
cutáneo metastásicn. En cultivo de células obtenidas de estos pacientes se ha observa-
do una actividad deficiente en cuanto a la reparación del ADN debido a los daños
causados por la luz ultravioleta. La enfermedad se trasmite como un rasgo autosómico
recesivo.
El estudio de células en cultivo procedentes de pacientes con esta enfermedad ha
demostrado que existen al menos
7 grupos de complementación, lo
que equivale a
decir que al menos existen
7
genes involucrados en la cansa de la enfermedad; estos
genes han sido designados XP-A a XP-G y se ha podido determinar que todos los
productos de estos genes participan en los mecanismos de reparación por escisión de
nucleótidos.
En el cáncer de colon de tipo hereditario y no polipósico se ha determinado que su
cansa esencial radica en deficiencia del proceso de reparación del malapareamientos.
La mayoríade los casos puedeser ahibuida a mutaciones en
los
geneshMSH2, hMLH1,
hPMSl o hPMS2, los cuales codifican proteínas que intervienen en el proceso de
reparación.
La ataxia telangiectásica comienza en edad temprana y a los
10 años los signos de
ataxia son de una inestabilidad total, con
hipotonía muscular y abolición de reflejos
tendinosos, también hay un bajo coeficiente de inteligencia.
La telangiectasia comienza entre los
3 y 4 años de edad, en conjuntiva, orejas y
parte expuesta del cuello. Se constata
una disminución de los niveles de
inmnnoglobulina A. En el cariotipo pueden aparecer variadas aberraciones
cromosómicas. Hay tendencia
al desarrollode
linfomas, la muertellega en edad tem-
prana del paciente. Los fibroblastos de estos pacientes muestran una evidente dismi-
nución de la actividad reparadora del ADN,especialmente frente a radiaciones gamma.
Se trasmite como un rasgo autosómico recesivo. Parece ser que las alteraciones de la
reparación son secundarias y que el defecto principal radica en la mutación de un gen
supresor tumoral, al que se ha denominado
ATM (siglas del inglés que significan
mutado en la ataxia telangiectásica).
El síndrome de Fanconi tiene como signo más sobresaliente la hiperpigmentación
y una disminución general del número de células sanguíneas (pancitopenia). Los
pacientes presentan baja estatura, tendencia a desarrollar leuceinia. Presentan una
actividad de reparación del ADN disminuido sobre todo a la acción de agentes que
provocan entrecruzamiento de las hebras. Se trasmite como un rasgo autosómico
recesivo. En este caso también parece tratarse de un defecto secundario y el primario
está asociado a mutaciones en varios genes supresores tumorales.
El síndrome de Bloom se presenta más en los varones que en las hembras. Existe
una evidente fotosensibilidad con aparición de eritemas persistentes desde el primer
mes de vida. Después aparecen las telangiectasias principalmente en la cara y el dorso
de las manos. Los pacientes poseen baja estatura, pero no existe retraso mental y son
individuos sexualmente normales. Existe una disminución de la actividad de repara-
ción del ADN, los linfocitos son particularmente sensibles al sulfonato de etilmetano.
Tienden a desarrollar leucemias. Se trasmite como un rasgo autosómico recesivo. Se ha
reportado recientemente que este síndrome está ligado a mutaciones en el gen de la
ADN ligasa.
Otras enfermedades relacionadas directamente con alteraciones en los procesos de
reparación son el síndrome Cockaine,la tricotiodistrofia y el síndrome de hipersensi-
bilidad a la luz ultravioleta (UV').
Por Último, se ha invocado que una marcada disminución de la actividad de los
sistemas de reparación del ADN, pudiera ser la causa principal de las modificaciones
que se observan en los individuos durante el periodo de envejecimiento; esto se tratará
con mayor detalle en el capítulo SS.

202. Resumen
No existe otra macromolécnia niyaintegridad estructural tenga parala dula
el significado vital que tiene el ADN; su conservación constituye por lo tanto una
actividad principal de la célula, tanto para evitar la contaminación con ADN forá-
neo como para reparar cualquier daño producido en
las propias
molknlas.
Unas de las primeras características que contribuyen a la conservación del
material gen6tico son la propia estmdura del ADN, su asociación con proteínas
y
su ubicación, que en los
eueariontes esta separado del resto de la célula por una
doble membrana.
Otro mecanismo lo constituye el sistema de modificación-restricción, pues
por
una parte permite la
idenüíiraeióu del propio ADN y por otra, la degradación
de los ADN extraños evitando la contaminación.
No obstante, el ADN es
una
molécula que está expuesta a daños como son: bases
mal apareadas, bases perdidas, alteraciones de bases, rotura de una o de las 2
bandas, formación de enlaces entrecruzados, etc6tera. Para casi todos estos daños
existen sistemas de reparación que pueden requerir de la exposición a la luz o no.
La fotorreactivación, la reparación por esfisión o por recombinación son meca-
nismos con los cuales la célula cuenta para enfrentar los
daños. El sistema SOS
proporciona
un mecanismo de emergencia que
sólo funciona en caso de daños
graves
y aunque permite la sobrevivencia del organismo, da lugar a la aparición
de múltiples mutaciones.
Algunas de las enfermedades de los seres humanos se deben o se acompañan de
trastornos en los mecanismos de
renaración. entre otras. el Xeroderma
pigmeoúasum, la ataxia telangieet&sica, el sindrome de Bloom, y el síndrome de
Fanconi. ÚItimamente se ha planteado la posibilidad de que el proceso de envejeci-
miento esté tambih relacionado con una especie de agotamiento de los mecanis-
mos de reparación del ADN.
Ejercicios
1. A veces durante la replicación se produce un mal apareamiento de bases que
noes
detectado por el sistema corrector de la ADN polimerasa 1. Estos defectos pueden
ser reparados ¿Cómo pueden las enzimas distinguir cuál es la base mal colocada
y
cual es la correcta?
2. Si a
una bacteria sele introduce un fragmentode ADN deotra bacteriade la misma
línea celular jactuará sobre ella el sistema de modificación-restricción?
3. ¿Cuáles son las principales analogías y diferencias estructurales y funcionales
entre los
3 tipos de endonucleasas de restricción?
4.
;Por qué cree usted que los daños por rotura en las 2 bandas del ADN casi nunca
pueden ser separados?
5.
¿Qué repercusión tendrá sobre la replicación del ADN el tratamiento de las células
con mitomicina C?
6.
&Qué importancia tiene para el médico el conocimiento de los diferentes mecanis-
mos de reparación del ADN?

203. Los seres vivos están en constante intercambio de materia, energía e información
con el medio,
ésta es una característica esencial de la vida, peroesteintercambio no se
produce de igual manera en todos los organismos.
Las bacterias, por la forma en
que viven, están sometidas a cambios pronunciados
del medio, del cual extraen sus fuentes de sobrevivencia. Los eucariontes monocelulares,
aunque poseen una estructura más compleja, están en iguales condiciones.
En los organisnios pluricelulares más desarrollados no todas las células se encuen-
tran expuestas a grandes cambios en la composición del medio; en el hombre,sólo las
células del tubo digestivo
y el hígado experimentan grandes variaciones en la compo-
sición del medio; el resto de las células del organismo se desarrollan en un niedio de
composicibn prácticamente constante.
Estas condiciones de vida influyen
significativaniente en los iiiecanisnios utiliza-
dos por cada tipo de organismo, que le permite adaptarse a los cambios anibientales.
Los organismos monocelulares deben poseer mecanismos que funcionen de manera
rápida, tanto, como cambia el medio; mientras los organismos superiores pueden em-
plear mecanismos de respuesta más lenta.
La presencia de nutrientes,su tipo y cantidad son algunos de los factores que más
influyen en la sobrevivencia de un organismo; si éste no dispone de mecanismos
capaces de adaptar su metabolismo,cuando se producen cambios negativos denutrientes
en el medio, perecerá en un tiempo más bien corto.
En este capítulo se estudiarán los mecanismos generales de regulación de expre-
sión de la información genética en los diferentes niveles, que permiten a los organis-
mos adaptarse a las condiciones cambiantes del medio. Se comienza por presentarlos
en procariontes, donde han sido mejor estudiados y posteriormente se hacen algunas
consideraciones acerca de los conocimientos actuales sobre la situación en los orga-
nismos pluricelulares.
Aspectos generales
Los
iiiecanisinos de selección natural han idoconservando las formas de vida que
presentan mayor eficiencia. Entre los organismos monocelulares, cualesquiera cambios
pernianente ! hereditario que aumenten la eficiencia global del metabolismo celular,
hacen que estos tipos crezcan algo más rápido que el tipo silvestre. Si se deja pasar un
tiempo prolongado la nueva línea celular, desplazará totalmente al tipo silvestre.

204. Por ejemplo, si en una población de 10' bacterias que duplican su número en
30 minutos, una bacteria es alterada de forma quesedupliquecada2YJminutos,cii
aproximadamente 80 días de crecimiento continuo, el Y9,9 % de la población será del
nuevo tipo; este tiempoes quizás muy largoen términosde trabajode laboratorio, pero
es insignificante en cuanto a tiempo evolutivo se refiere, por lo tanto, sobre esta base
es razonable pensar que los sistemas de regulación surgieron y se desarrollaron en el
sentido de ganar mayor eficiencia, como consecuencia del proceso de evolución.
Existen algunas características más o menos generales de la regulación intracelular
que pueden resumirse en las siguientes:
1. Las moléculas que ocasionalmente se utilizan, son sintetizadas sólo en el momento
para ser empleadas.
2. Una actividad enzimática que consume energía de manera inútil en un momento dado,o utiliza una sustancia que essustrato de otra reacción de mayor prioridad,
está frecuentemente inhibida.
3. Cuando existen varias vías posibles de producción de energía, la célula utiliza la
que produce mayor cantidad por unidad de tiempo.
4. Una alteración de una vía hiosintética,
que reducc la producción de moléculas
deficientes, resulta eficaz y tiende a conservarse.
La característica esencial de estos mecanismos de regulación es que ellos se co-
nectan y desconectan según la necesidad. No existen ejemplos de mecanismos que
estén completamente desconectados
y siempre existe un nivel
basal de fnncionamien-
to. Por comodidad para hacer referencia a un sistema que funciona a su nivel basal, se
dice que está desconectado.
En los sistemas hacterianos, donde varias enzimas actúan deforma sucesiva en
una ruta metabólica,esfrecuenteel hecho de que, todasestán presentes o todas están
ausentes; este fenómeno recibe el nombre de regulación coordinada.
La regulación de la expresión de la información genética, puede realizarse al nivel
pretranscripcional, transcripcional y postranscripcional; el segundo caso es el más
frecuente
y el más económico.
Regulación transcripcional
Los mecanismos inoleculares para cada sistema de regulación pueden variar mu-
cho, pero frecuentementese clasifican en
2 grandes tipos: positivos y negativos.
En la regulación negativa, la célula presenta un inhibidur,
cuya acción determina
que la transcripción se encuentre desconectada. En la positiva, hay moléculas que
provocan una activación del promotor. Las regulaciones positiva y negativa no son
excluyentes, y de hecho existen sistemas que están regulados por las
2 formas.
En estos casos se hace necesaria la existencia de
2 efectores. Para evitar confnsio-
nes en lo sucesivo, debe tenerse presente la diferencia fundamental entre las
2 formas
mencionadas. En la regulación negativa la unión del efector (que suele ser
una proteí-
na) al
ADN provoca la inhibición de la transcripción, en tanto,
que en la positiva, la
unión determina una activación de la transcripción.
A continuación se presenta un estudio más o menos detallado de los principales
mecanismos de regulación transcripcional.
Desde principios de este siglo se conoce que la
E. colicuando crece, en un medio
que contiene glucosa, no utiliza la lactosa que se añade al medio de cultivo. Si se
trasladan las células a un medio carente de glucosa, pero que contiene lactosa como

205. fuente de carbono, a los pocos minutos las células utilizan la lactosa de manera eficien-
te. Si al medio anterior se añade glucosa, a los pocos minutos las células dejan de
utilizar la lactosa y continúan utilizando sólo glucosa.
Si se añaden al mediosimultáneamente la glucosa
y la lactosa, las células utilizan
la glucosa y una vez agotada ésta, comienzan a utilizar la lactosa. La primera explica-
ción
quese dio a este fenómeno,conocido entonces como adaptación enzimática, fue
la existencia en las células de precursores inactivos de las enzimas que utilizaban la
lactosa y que ésta activaba.
Para investigar la certeza de esta hipótesis se realizó una experiencia que, por su
sencillez y claridad, se expone a modo de ilustración.
Se tomó una colonia de
E.
coli, se puso a crecer en un medio que contenía
["SI-Metionina, al cual no se añadía lactosa; después de algún tiempo las células
fueron lavadas y pasadas a un medio con metionina normal, a los pocos minutos se
añadió lactosa; se midió la aparición de las enzimas activas y cuando alcanzaron un
valor elevado, se homogeneizó el cultivo y se aislaron las enzimas; se midió la radiac-
tividad
y se comprobó que no contenían azufre radiactivo.
Se repite la experiencia pero incorporando la metionina radiactiva junto con la
lactosa y después de un procesamiento similar se detecta el azufre radiactivo en las
enzimas. Como
se deduce de este experimento, las enzimas no existen como
precnrso-
res inactivos en ausencia de lactosa, sino que son sintetizadas totalmente a partir del
momento en que la lactosa es añadida, siempre que el medio no contenga glucosa.
Luego pudo comprobarse que además de la enzima b- galactosidasa, que hidroliza
el enlace 0-glicosídico de la lactosa produciendo galactosa y glucosa, se producía la
inducción de una proteína que llamaron galactopermeasa, pues ésta forma parte del
sistema transportador de membrana para los galactósidos. De manera coordinada se
regula la síntesis de las proteínas que favorecen el transportedel azúcar hacia el inte-
rior de la célula
y las que comienzan su degradación.
Hoy
se sabe que hay una tercera enzima implicada en la inducción, la denominada
galactosa
transacetilasa,cuya función en el metabolismo de la galactosa no está total-
mente esclarecido.
A este fenómeno mediante el cual la presencia
deuna sustancia en el medio provoca
la síntesis de una determinada enzima, o
grupo de enzimas, se le da actualmente el nombre
de inducción de la síntesis de enzimas o inducción enzimática
(Fig. 34.1).
El estudio de distintos microorganismos con medios selectivos ha puesto de ma-
nifiesto que la inducción endmática no es exclusiva de las enzimas del metabolismo
dela lactosa,sino que está presente o relacionada con las endmas que intervienen en
el catabolismo de otros azúcares.
Las sustancias capaces de provocar la inducción reciben el nombre de inductores,
éstos son metabolizados por la enzima y sus concentraciones disminuyen con el tiem-
po. Existen sustancias, relacionadas estructuralmente con los inductores naturales,
que tienen un poderoso efecto inductor, pero no son metabolizadas por las enzimas,
denominadas inductores gratuito$, cuyo empleo
ha contribuido de manera eficaz al
esclarecimiento de estos
mecanismo$. La estructura de la lactosa que es el inductor del
operón lac y del
isopropiltiogalactósido, que es un inductor gratuito son similares
(Fig. 34.2).
Modelo del operón
En 1961, después de casi 20 años de trabajo, Francois Jacob y Jacques Monod
del Instiiuto Pasteur propusieron un modelo para explicar el mecanismo molecular por
el cual se realiza la inducción de lasíntesis de proteínas. En las páginas siguientes se
ofrece la visión actual del modelo, que lógicamente ha sido enriquecido con nuevos
aportes desde el monieiito en que fue propuesto.
En el
ADN
bacteriano se distinguen varios sectores desde el punto de vista funcio-
nal; aquellos sectores que codifican la síntesis de polipéptidos específicos, reciben el
Fig. 34.1.
Inducción enzimática. La figurii
representa los resultados de
una
experiencia
típica de induceiúii de
las enrimas del apcrbn lar. Conio
se ohserva a los pocos minutas de
sir añadida la lactosa (1) coriiien-
za la síntesis del ARNm y pustc-
riormentr de las encimas corres-
pondientes. Al retirarse la laitosa
12) eonienzará el descenso de la
concentración del ARNm
que
scr6
seguido par una disminución de
la concentración de
las
eniimas.
Fig. 34.2. lnductores del oeerón lae. En la
parte supcrier de la tigura se mues-
tra la estructura de la laetusa, que
es el inductor natural del
operón
bc. y en la parte inferior, la de un
inductor gratiiito,el isopropiltioga-
lactúsido.
Componentes celularts y Guietica molecuiar 575

206. nombre de genes estructurales, además por la forma en que fueron identificados y
localizados originalmente, como consecuencia de una experiencia denominada
cis trans, se les da tambiénelnombre decistrones; deahísurgen lasdenominaciones
de los ARNm monocistrónicos y policistrónicos (capítulo
27).
Adyacente a los cistrones se encuentra otro sector
que controla o regula la expre-
sión de los cistrones y recibe el nombre de operador. Como el operador no codifica
ningún polipéptid0,ni tampoco un ARN,nose trata de un gen, y para referirse a él se
dice el lociis (sitio) operador. El conjunto de segmentos de ADN compuesto por el
operador
y los cistrones que están bajo
su control recibe el nombre de operón; este
término también proviene de la informática y se emplea aquí por ser la unidad de
operación, lo cual significa que cuando el operón se conecta funcionan todas sus
partes como si fueran una sola, igual sucede cuando se desconecta.
Un tercer sector es el promotor, al cual se une la ARN polimerasa.
Por último, se distingue un sector que codifica la síntesis de una proteína
especifica, cuya actividad determina el funcionamiento de los cistrones; este
sector recibe el nombre de gen regulador y la proteina por él codificada se deno-
mina proteína represora o represor. El gen regulador puede encontrarse adyacente
a los cistrones o alejado de ellos.
El funcionamiento del modelo consiste en: la proteína represora es de tipo alostérico
y tiene un sitio de elevada afinidad por el ADN del operador en una de sus 2 conforma-
ciones (la R), mientras que en la otra conformación (la T) tiene muy poca afinidad. La
unión del represor
al operador se produce mediante el reconocimiento de una secuen-
cia específica de bases de estesector, que forma un
coniplejo de elevada estabilidad e
impide de esta forma el desenrollamiento del ADN, que es imprescindible para la
transcripción. Los inductores provocan el desplazamiento del equilibrio
conformacional del estado R al
T.
Como la
unión del represor al operador determina la inhibición de la transcrip-
ción, estamos en presencia de un sistema de regulación negativa (Fig.
34.3).
Fig. 34.3. hlodela general del operó". En el ADN se encuentran seriicneias ron diferrntcs fuiirioiics:
el gen regulador que codifica a la proteína represara; la zona del opcrador-proiiii,tc>r 10-PI
donde
se
cine el represor y la RN polinierasa, así romo los genes cstrurliirales a ristruiies
que codifican la síntesis de proteínm específicas (genernliiiciite cnliiiiasl. Cada oper6ii
posee un número caraiteristicu de risfrones.
Se han estudiado numerosos operones inducibles, casi todos relacionados con la
utilización celular de monosacáridos, aunque no exclusivamente. Si hien es cierto que
cada unoen sus líneas generales se corresponde con la situación descrita anteriormen-
te, se tieneencuenta que cada uno tienesus particularidades. Para los objetivos deeste
texto se ha seleccionado aquél que, por ser el primero
y más
estndiado, ofrece una
visión más completa de su mecanismo.

207. Operón lac
La estructura y el funcionamiento del operón lae han llamado el interés de mu-
chos científicos en los arios posteriores a la proposición del modelo del operón. En
estos momentos se tiene una visión completa de todo este complejo sistema (Fig.
34.4).
Pares de bases 1111 -70 3 060 800 800
Polipéptida Reprsmr - Pgalacrusidasa Perrneaa Acetilasti
Peso rnolecular 38 000 - 125 000 30 000 30 O00
Número de arninoScidos 360 1021 -275 - 275
Forma activa Tctrániero Tetrárnero Mcinbriinii Díinrio
Y SU peso 152 000 500 000 30 000 60 1100
Fig.
34.4. Estructura del
operón lac. Se muestran las principales características estructurales del
operó" lae y de sus productos.
La proteína represora üene características similares a todos los represores conoci-
dos+ trata de un tetrámero formado por subunidades idénticas que presenta una clara
simetría molecular (Fig. 34.5).
En el promotor se encuentran las secuencias estudiadas en -35 y en la zona de
-4 a -10. El operador, comoera de esperar, presentaunasecuencia repetida invertida
con un centro de simetría, lo que concuerda con la estructura del represor (Fig. 34.5).
El represor lac contiene al menos 2 sitios, uno de ellos le permite la unión al ADN
y el otro, tiene como ligandos pequeñas moléculas de galactósidos que actúan como
inductores. La unión del inductor al represor provoca un cambio de conformación que
se trasmite a todas las subunidades, haciendo que todas adopten el estado T, cuya
afinidad por el ADN del operador es muy baja. En estas condiciones el represor se
disocia del operador, lo que permite la unión de la ARN polimerasa en el locus promo-
tor y da inicio a la transcripción. La traducción del ARNm correspondiente da origen
a las enzimas que degradan la lactosa, con lo cual la concentración del disacárido
disminuye, provocando la separación del inductor. Esta separación hace que la proteí-
na adquiera de nuevo el estado R y en esta forma se une al operador, lo que impide la
unión de la ARN polimerasa (Fig. 34.6).
Fig. 34.5. Unión represor aperador en el
operóii lac. Eii la parte superior se
muestra la estructura primaria dc
la zona del aperador lae con sus
ranas de simetría a color. En la
parte inferior
se
observan diferen-
tes vistas del complejo formado
entre
el operador y el represor
del
aper6n lar.
Componentes celulares y Genetica molecuiar 577

208. AOd NXV
. . . .. . . . .. .
uqaado lap o)uapeuo!aunj [ap ope[Iir)ap o!pw 1s jesor~el el ap uqpeqgn e1 aanpoad
as ou aluasard nsa esoanl8 el !S anb loa? :a>ue8oaaa)ir! eun epanb osad :qaauoasap

209. El sistema AMPc-CAP sirve como regulador positivo de muchos operones rela-
cionados con la utilización de distintos monosacáridos, cuando falta la glucosa todos
estos operones están en condiciones de conectarse, pero sólo lo hará el que tenga su
inductor presente, debido a que el sistema de transporte de la glucosa
y el productor de
AMPc están acoplados de tal
manera que,cuando se transporta la glucosa, no puede
producirse el AMPc y viceversa. Deesta forma los niveles intracelulares del nucleótido
cíclico son una señal, que indica la ausencia del transporte de glucosa a través de la
membrana y por lo tanto, la célula debe estar preparada para la utilización de otro
monosacárido como fuente de energía.
En resumen cuando existe glucosa en el medio, la célula la usa como fuente de
energía
y de carbono, lo que disminuye los niveles celulares de AMPc; si se añade
lactosa (o algún otro monosacárido) no puede utilizarse, pues faltaría el complejo
AMPc-CAP, y si se retira la glucosa del medio o se coiisunie toda la existente, los
niveles de AMPc aumentan favoreciendo la formación del AMPc-CAP de manera que
al añadir la lactosa (u otro azúcar) se inactiva el represor
y comienza la
tranwripción de
los cistrones.
Como el represor al unirse al ADN inhibe la transcripción, se trata de un regulador
negativo, pero el AMPc-CAP lo que hace es activar la transcripción, luego es un
regulador positivo, por lo tanto, en el operón lac (y en otros muchos) existe simultá-
neamente un sistema de regulación que es al mismo tienipo positivo
y negativo.
Otro fenómeno relacionado con la regulación de la expresión
genética surgió con
el estudio de las vías biosintéticas en algunas bacterias, especialmente en la
E.
coli.
Esta bacteria contiene un equipo enzimático que le permite la síntesis de todos los
aminoácidos, para formar sus proteínas a partir de una fuente de carbono (puede ser la
glucosa)
y una fuente de nitrógeno (cloruro de amonio).
Las rutas biosintéticas de algunos aminoácidos son
comple,jas y requieren de
numerosas enzimas; cuando algunos de estos aminoácidos son añadidos al medio de
cultivo se produce un rápido descenso de las concentraciones intracelulares de las
enzima5 relacionadas con la ruta biosintética correspondiente. Como en el caso ante-
rior, esta disminución afecta a todas las enziinas involucradas en la ruta, luego se trata
de una regulación coordinada. Cuando el aminoácido es retirado del medio se produce
un incremento de la concentración de las enzimas; igual que en el caso de la induc-
ción, estas variaciones se deben a cambios en la velocidad de síntesis de las endmas y
no de su actividad.
Este fenómeno, en el cual la presencia de una sustancia en el medio es capaz de
provocar la inhibición de la síntesis de una enzima o grupos de enzimas, recibe el
nombrede represión de la síntesis deenzimaso represión enzimática. (Fig. 34.8). A la
sustancia que provoca la represión se le da el nombre de correpresor.
Para explicar el mecanismo de la represión enzimática se utilizará el mismo niode-
lodel operón descrito antes; se tomará comoejemplo el operóu que controla lasíntesis
del triptófano en la
E.
coli, por ser el mejor conocido.
La figura
34.9 representa la estructura del operón
t1.p.
El gen regulador codifica la síntesis de la proteína represora, que es también una
proteína alostérica con sitios específicos de unih al ADN del operador. Su unión
determina la inhibición de la transcripción
y
con ello sesuprime la síntesisde enzimas,
luego se trata de un sistema de regulación negativa.
Fig. 34.8. La represiúil eiiriiiittiea. La figu-
ra 111ucs11.a 10s resultados dr una
esperiencia tipica dc represióli
eiicim6lira. donde al añsdii- el
coreprcsor (4) comienza a disini-
nuir la cuneentrari<in inti.arelinlar
de la enzima, qinc sólo ruelrf a
auiiieiitar al retirar el corcprcsor.
Estos cambios de eancetitracióii
ohedcecn a variaciones eii la sin-
tesis de la enzinia.
Componentes celulares y Genttica moleculm 579

210. Pares de bases
Polipéptida
Peso molecular
/
Guia Atranilato Indol-glicerol-P T"ptófano
/
sintetasa sinletasa sintetasa
60 000 60000 45 O00 50 000 29000
Fig. 34.9. Eslruetura del operón trp. En la figura se muestran las principales características estructu-
rales del o~erón IrD Y de sus oroduetos. La zona o~erador-promotor (PIO) no está bien
A y B las subunidades de la triptófano sintetasa. Los sitios t son terminadores de los cuales
existen
2 al final del
aperón.
La diferencia con el sistema del operón lac estriba en que en este caso el
represor se sintetiza en forma inactiva (conformación
T), que presenta muy poca
afinidad por el
ADN.
La unión del correpresor provoca un cambio de conformación que aumenta ex-
traordinariamente la afinidad por el
ADN y favorece la
unión con el operador; este
correpresor resultó ser el propio triptófano.
Cuando la célula no dispone de triptófano exógeno, su concentración intracelular
es tan baja que no hay posibilidades de unión con el represor y,por lo tanto, los genes
son transcriutos de forma continua. La adición de triutófano
al medio aumenta
brusca-
mente su concentración intracelular, favoreciendo su unión al represor y con ello la
inhibición de la transcripción. La utilización intracelular del triptófano disminuye su
concentración, volviéndose a la situación inicial (Fig. 34.10).
Existen varios operones represibles bien estudiados y en líneas generales con-
cuerdan con el presentado en este texto, aunque como era de esperar tienen algunas
características específicas.
Fig. 34.10. Funcionamiento del operón frp. El apcrón frp funciona de acuerdo con la disponibilidad
del triptbfano. Cuando
no existe triptófano en el
medio celular (A), el represor es inactivo
v no ~uedf unirse al ooerador. lo cual ocrmitc aue se realice la transcripción de los zenes del
del ARNm correspondiente

211. ua uimv pp alq!anper] ou euoz el UOJ apuodsauo~ anb'? eqal e[ UOJ epeuS!sap euoz
em alspra u?rl. rauqd la h ropeiado la arlua '6.b~ ei&g el ua enrasqo as ouio3

212. El ARNm del operón trp comienza aser leído por el ribosoma, al llegar al péptido
guía, como la concentración de triptófano es elevada, estos codones son leídos sin
dificultad y el ribosoma avanza a su velocidad normal, sobrepasando las zonas
1 y 2
del ARNm conductor; como la zona 2 no puede formar pares de bases con la 3, ésta
hrma apareamiento con la zona
4 y se constituye la estructura necesaria para la termi-
nación de la transcripción.
Por lo tanto, a elevadas concentraciones intracelulares de triptófano, en caso de que la transcripción se inicie,ésta termina antes de que comience la transcripción de
los cistrones.
A bajas concentraciones intracelulares de triptófano, cuando el ribosoma llega a la
síntesis del péptido guía, su movimiento se "atasca", pues no hay trp-ARNt disponible.
Esta evidente reducción en la velocidad del ribosoma produceun secuestrode lazona
1, pero deja libre la 2 que forma pares de bases con la zona 3. La formación del brazo
2-3 impide la formación del apareamiento
3-4 y, al no producirse esta estructura, la
transcripción continúa
(Fig. 34.1 1). A la secuencia de bases que origina la estructura de
terminación en la zona conductora se le conoce como secuencia atenuadora y es por
ello que el mecanismo en general recibe el nombre de atenuación.
En el caso de estas enzimas hay un doble mecanismo de control, al nivel del
represor y al nivel del atennador; es posible que en determinados momentos uno de
ellos no funcione, pero siempre existe la seguridad del fiincionamiento del otro. El
sistema del atenuador ha resultado ser más general de lo que se pensaba, ya han apare-
cido varios estudios de secuencias de péptidos guías para diferentes sistemas, incluso,
el sistema genético que controla la síntesis de las enzimas relacionadas con la síntesis
del aminoácido histidina se controla sólo por el mecanismo de atenuación.
Eficiencia del promotor
Las enzimas que no son inducibles ni reprimibles y por tanto su concentración
celular es prácticamente constante, a lo largo de todo el ciclo celular, reciben el nom-
bre de enzimas constitutivas.
El hecho de que su concentración intracelular no varíe
con el tiempo es un índice de que su síntesis se produce de forma continua; en estos
casos, la transcripción es ininterrumpida, pues la vida media de los ARNm es muy
corta, es de esperar entonces, que todas las enzimas constitutivas estuviesen a la misma
concentración; pero esto noocnrre realmente, lo que se mantiene constante a lo largo
del tiempo es la proporción entre las distintas enzimas constitutivas, aunque cada una
de ellas presenta su concentración característica.
La clave del problema está en que no todos los promotores funcionan con igual
eficiencia. Existen los llamados promotores fuertes, que se transcriben con mayor
facilidad un número mayor de veces durante el ciclo celular. Debido a los factores
relacionados con su estructura existe una elevada afinidad entre la ARN polimerasa y
las secuencias específicas del promotor. La unión de la enzima con el ADN origina
rápidamente un promotor abierto de elevada estabilidad, y la transcripción es inmedia-
ta. En otros casos los promotores son débiles, se transcriben
muy poco. La afinidad de
la ARN polimerasa es muy baja por el promotor, y la formación de un promotor abierto
estable es un evento poco frecuente, sólo en los casos en que esto ocurre se logra la
transcripción.
Por supuesto, pueden darse todas las situaciones intermedias; como cada prorno-
tor funciona como promedio un número fijo de veces por unidad de tiempo - caracte-
rística de cada uno de ellos- la concentración de cada enzima dependerá de ésta, sin
embargo la relación de concentraciones se mantiene invariable.
Este tipo de regulación, aun cuando es posible, es al parecer mucho menos fre-
cuente. Hay pocos casos esclarecidos donde la regulación se exprese por variaciones
en el mecanismo de la traducción, una vez formado el ARNm correspondiente.

213. El caso más esclarecido es la regulación de la síntesis de las proteínas que forma
parte de los ribosomas en los procariontes, que como se vio en el capítulo
29 se
encuentran organizados en
7 operones.
Es necesario recordar
que estos organismos carecen de envoltura nuclear
y por
ello la transcripción
y la traducción están vinculadas directamente. Para formar los
ribosomas son necesarias las síntesis de los ARNr y de las diferentes proteínas, por lo
que deben ocurrir la transcripción de los ARNm correspondientes a cada uno de los
operones y
su posterior traducción.
Como cada tipo de ARNr se une a un grupo específico de proteínas durante el
proceso de "autoensamblaje" del ribosoma, debe existir una adecuada proporción
entm el número de
ambos
íipm de molénilas. Cuando se "ensamblan" muchos rihmas,
el número de ARNr empieza a disminuir y puede existir una superproducción de
proteinas ribosomales, las proteínas que controlan la expresión de cada uno de los
operones se unen al ARNm correspondiente impidiendo la traducción. Sólo si apare-
cen más moléculas de ARNr, puede continuar la traducción, de lo contrario ésta se
mantiene inhibida (Fig. 34.12).
Fig. 34.12. Regulaeián de la síntesis de proteínas ribosomales. Para la formación de los "bosomas se
requierc de la sintesis de los ARNr y las proteínas en la proporción adecuada. Si se produce
un exceso de proteínas, éstas se combinan con su propio ARNm e inhiben la traducción.
Regulaaón en eucariontes
Los sistemas reguladores eucariontes pluricelulares son algo diferentes a los
procariontes. La existencia de la membrana nuclear hace
al ADN menos sensible a los
cambios que se producen en el citoplasma
y en el medio. Los requerimientos de las
células en organismos
pluricelulares son muy diferentes de los procariontes. Las célu-
las embrionarias por ejemplo, se multiplican rápidamente, en tanto las células del
organismo adulto en ocasiones sólo requieren nutrientes para su mantenimiento, pues
se dividen en casos excepcionales o nose dividen en absoluto.
Los estudios en eucariontes se dificultan por no existir técnicas que produzcan y
aíslen mutantes,separen y manipulen genes, así como extraer y purificar moléculas de
ARNm específicas.
En estos aspectos se ha avanzado mucho en la última década,
gracias a la introducción de los procedimientos de la tecnología del ADN
recombinante.

214. Por otra parte, la dilucidación de algunos mecanismos reguladores de la expresión
genética en eucariontes indica que son numerosas la5 formas en que este fenómenose
realiza.
Las características de la organización del genoma de los eucariontes, la existencia
de la cromatina, la elevada proporción de secuencias no codificantes, la existencia de
mecanismos que permiten el reordenamiento de los genes eucariontes y la misma
estructura del gen contribuyen a aumentar las dificultades en el estudio de sus meca-
nismos de regulación.
A diferencia de los procariontes, existen varios nivelesde regulación en los orga-
nismos pluricelulares que se expresan de forma diferente en los distintos tipos de
células, y que están relacionados con las distintas etapas del proceso de expresión de
la información genética.
Un primer nivel de regulación viene dado por la selección de los genes que deben
transcribirse en un momento dado en cada célula. Durante mucho tiempo se pensó que
la diferencia entre la eucromatina y la heterocromatina no era sólo un aspecto de
apariencia tintorial; hoy sesabeque en la eucromatina están contenidos los genes que
se transcriben de forma activa, mientras la heterocromatina presenta los genes que
están silenciados. El ejemplo más sobresaliente se da en el par de cromosomas sexuales
de la hembra; sólo uno de los cromosomas
X es activo, mientras el otro aparece fuerte-
mente "empaquetado" y puede observarse como un corpúsculo que recibe el nombre
decuerpo de Barr, en lascélulasde las hembras.
Regulación
preir~oscripcional
Los genes que se encuentran en copia única pueden ser suficientes para producir
una lenta acumulación de proteínas; por el contrario, una acumulación más rápida de
proteínas se logra en el caso de genes de copias múltiples, hecho éste que es habitual
en el genoma. Sin embargo, en algunos casos ocurre la amplificación de un gen o
conjunto de genes, como sucede en algunas células germinales o en las que desarrollan
resistencia a determinados fármacos.
El ejemplo mejor conocido se produce en los ovocitos del Xenopuslaevis, donde
los genes para los ARNr se incrementan unas
4 000 veces. La célula precursora del
ovocito contiene aproximadamente
S00 genes para los ARNr, que después de la ampli-
ficación llegan hasta cerca de un millón, lo cual representa e1 75 % del ADN nuclear;
esto permite al ovocito sintetizar 10" ribosomas necesarios para la gran cantidad de
proteínas que debe formar durante el período inmediato después de la fertilización, en
este tiempo de apenas
3 semanas el número de
nucléolos se incrementa de uno a varios
centenares.
Este ADN aparece como pequeñas estructuras circulares que se replican mediante
círculos rodantes, aunque el mecanismo exacto no está totalmente esclarecido; cada
círculo puede contener varias copias de los
genes de los ARNr.
Una vez queel ovocito ha madurado, el ADN circular esdegradado lentamente.
Después de la fertilización el ADN cromosómico se replica y ocurre la mitosis repetida-
mente, mientras el embrión se desarrolla; sin embargo, el ADN extracromosómico no
se replica y este factor unido a su lenta degradación hacen que al alcanzarse el número
de algunos cientos de células, este ADN amplificado ya no exista.
La amplificación de los genes para los ARNr se ha observado en gran número de
organismos entre ellos insectos, anfibios y peces. En los mamíferos este mecanismo
está muy asociado con el fenómeno de resistencia a determinadas drogas; éstas actúan
habitualmente como inhibidores enzimáticos. Se han reportado cerca de
10
enzimas
cuyas concentraciones intracelulares aumentan mucho, debido a la amplificación de
sus genes y de esta forma pueden soslayar la inhibición, haciendo que la célula sea
resistente a la acción de la droga; un caso típico de esta situación se discute en el
capítulo
84. Por último, es interesante señalar que el mecanismo de amplificación

215. génica parece ser el responsable de la aparición de algunos tumores malignos cuando
el gen amplificado es precisamente un oncogén.
Sin embargo el nivel más estudiado es el transcripcional, especialmente el de la
ARN polimerasa 11 que sintetiza los ARNm. El promotor de estos genes es complejo y
presenta una estructura modular con
2 tipos de elementos principales. Cerca del sitio
de iniciación de la transcripción se encuentra el elemento central del promotor, que en
muchos casos contiene la secuencia consenso TATAAT
y es el sitio de unión de los
factores generales de transcripción (capítulo
27). Más hacia la izquierda estos promo-
tores contienen varias secuencias denominadas elementos
distales del promotor, que
también son sitio de unión de proteínas y son diferentes para los distintos genes
transcnptos por la ARN polimerasa 11. La unión a estos sitios de proteínas específicas
en unos casos produce un incremento de la transcripción, o sea, se produce el fenóme-
no de la inducción, mientras que en otros casos hay un decremento de la intensidad del
proceso, que implica represión. A diferencia de los procariontes, donde los nutrientes
son esenciales en la regulación, en los organismos superiores las sustancias determi-
nantes son mensaieros auímicos como las hormonas. aue oor variados mecanismos
e ,. .
favorecen la unión de esos factores de transcripción géuico-específicos a sus sitios
correspondientes; así, la insulina favorece la unión de una proteína especifica en el
gen de la glucoquinasa en el hígado y en las células P del páncreas, lo que induce la
síntesis deesta enzima.
La complejidad del promotor permite que a éste se unan proteínas que pueden
tener efectos contrarios sobre la transcrinción. cuando esto sucede una de ellas es
dominante sobre la otra; por e,jemplo, el gen de la fosfoenolpirúvico carboxiquinasa
del hígado contiene
2 sitios de unión para el receptor del cortisol, que actúa como un
factor génico específico
y estimula la transcripción del gen. Más hacia la izquierda,
también presenta
un sitio de unión para la proteína activada por la
insulina, esta unión
inhibe la transcripción. Cuando las
2 proteínas se
encuentran unidas se produce la
inhibición del proceso, lo cual significa que la acción de la insulina es dominante
sobre la del cortisol.
También el procesamiento del ARN es un punto de control. El caso mejor conoci-
do se da durante la diferenciación sexual en la Drosophila melanogaster, pero por su
complejidad no será estudiado en este texto. También se ha señalado que puede ser un
punto de regulación el transporte del ARNm del núcleo al citoplasma, pero losmeca-
nismos involucrados en el proceso no están perfectamente esclarecidos.
Una vez en el citonlasma. el ARNm se une a oroteínas v se mantiene almacenado
hasta el momento de la traducción. Algunos ARNm presentan secuencias específicas a
las cuales se unen proteínas reguladoras que estimulan o inhiben la traducción, según
sea el caso; el ejemplo más conocido es los ARNm de proteínas que están relacionadas
con el metabolismo del hierro. Por otra parte, son numerosos los factores de traducción
que sufren ciclos de fosforilación- desfosforilación durante la
vida celular y esto puede
indicar aue están sometidos a mecanismos de
re!zulación.
Por último, existen mecanismos que regulan el destino final de las proteínas sinte-
tizadas. Todos los estudios realizados señalan que las proteínas contienen secuencias
específicas de aminoácidos o estructuras tridimensionales típicas que indican su lugar
de destino: el citosol, el núcleo, los organitos citoplasmáticos o el espacio extracelular.
Todos estos mecanismos están bajo intensas investigaciones,
y es de esperar que
en los próximos
arios se pueda contar con una visión mucho más aproximada de los

216. mecanismos que regulan la expresión de la información genética en los organismos
superiores, especialmente en el hombre.
Resumen
La dependencia
manifiesta que existe entre los organismos vivos y el medio
donde se desarrollan trae aparejada la neeesidad de la existencia de meeanismos
de regulación de la expresión de
la información
genética, que permite la adapta-
ción del complejo metabóiieo celular a los cambios constantes del medio. Estos
mecanismos difieren de acnerdo con el tipo de organismo que se irate, ya que estos
pueden
estar expuestos a mayores o
meuom variaciones de las características del
medio, sobre todo con respecto a
la obtención de
nntrieutes.
En general
estos mecanismos de regulación se caracterizan por la síntesis de
una proteína específica, sólo cuando es
u&, la inhibición de actividades
enzimeticas que representan
un mayor gasto de
energía o una mayor producción
de deshechos y vías productoras de mayor cantidad de energía metabólica en tiem-
pos menores.
Otra
caracterísUca relevante es la existenda de la regulación eoordi-
nada que permite ejercer de manera simuliánea el mecanismo sobrevarias enzimas
que intervienen en la mirmia secuencia metabólica.
La regulación de
la expresión
genética puede rralizarse en 3 niveles funda-
mentales: pretranseripcional, transcripcional y posbanscripcional. El primero
está poco eshidiado y su ejemplo más fehaciente es el mecanismo de ampliñcación
génica que tiene lugar en algunas células de organismos superiores.
El nivel transcripcionai se refiere a los mecanismos que actúan directamente
estimulando (positivo) o inhibiendo (negativo) la síntesis de los ARNm. En
proeariontes existen
2 variantes: las inducción y represión
enzimáticas y la atenua-
ción.
La inducción enzimática se caracteriza porque la presencia de
una sustancia
(inductor) estimula la síntesis de proteínas
esflcas; en
la represión la presencia
de
determinada susiancia (compresor) provoca la inhibición de
la síntesis de pro- teínas también espeeiscas. Estas 2 situaciones recibieron una explicación mole&
con la aparición del modelo del operóu, según el cual en el ADN celular pueden
disünguirse diferentes sectores funcionales: el gen regulador, el promotor, el ope-
rador y los genes estnichuaies (cishones).
El gen regulador codifica la proteína represora que se une
al operador y
bloquea la síntesis de los ARNm. La interacción del
represor con molécuias peque-
ñas puedehacer que éste se separe del operador (inducción) y, con ello, se comience
la síntesis de ARNm, o por el contrario puede ser nda esa interacción para
que el represor pueda
unirse al operador (represión),
con lo cual la síntesis de
ARNm
se
inhibe.
La atenuación
se caracteriza por la existencia de una zona del ARNm
Uamada
guía (leader) que contiene varios dones para
un
aminodcido determinado; si al
traducirse esa zona el amino6cido está abundante en la célula, la transcripción se
inhibe, en
caso contrario
conümía.
Muchos operones de inducción requieren además la participación del comple-
jo CAP-AMPc para poder funcionar aún en presencia del inductor.
El ejemplomás sobresaliente en proeariontes de regulación postranscripcional
es
la síntesis de proteínas
nbosomales, las cuales actúan como inhibidores de su
propia formación.
La regulación de la expresión genética en
los
eucariontes plnriceluiares resul-
ta mucho más compleja que en los unicelulares. La zona de transcripción está
relacionada con
la
eummatina, la cual se transerihe de forma activa, mientras la
betero~~umaüna apenas lo hace.
Los
genes tranSrritos por la ARN polimerasa 11
presentan promotores complejos que permiten la unión no sólo de los factores

217. generales de transcripción, sino, además, de fadores génico espe&cos que unas
veces estimulan el proceso y otras veees lo inhiben. De esta forma se reaüzan en
estos organismos los fenómenos de inducción
y represión de
la síntesis de proteínas.
En ocasiones, un mismo gen puede estar bajo el efecto de los 2 tipos de factores
(setivadores e inhibidores) y en esos ess<w el efecto de uno de ellos predomina sobre
el otro.
También parreen ser puntos de control el procesamiento del ARNm y su trans-
porte hacia el citoplasma También exisien indicios de repuiación al nivel de la
traducción
y del
m&mu por el cual las proteínas sintetizadas alcanzan su
desüno final. Los estudios que se realizan en estos momentos auguran que en los
próximos años se tendrá una información más detallada de los mecanismos de
regulación de
la
exprrsi6n genética en los organismos superiores, especialmente en
el hombre, tal vez eUo pueda contribuir a su bienestar y felicidad.
1. ;Qué repercusión podría tener sobre el mecanismo de regulación del operón lac,
una mutación en el gen regulador que produjera una modificación en la conforma-
ción de la proteína represora? Discuta por lo menos
2 alternativas.
2.
;Cómo podría afectarse el funcionamientodel operón lac,si ocurriera una muta-
ción en la zona del operador-promotor? Discuta al menos
3 posibilidades.
3.
¿Cómo repercutiría sobre el funcionamiento del operón lac una mutación que diera
origen a la aparición de un codun de terminación en la zona central del cistrón de
la p- galactosidasa?
4. ;Qué características debe poseer una sustancia para poder actuar como inductor
gratuito de un operón determinado?
5. Si en la zona guía del ARNm del operón trp ocurriera una niutación, que diera lugar
a la aparición de un tercer codon para el triptófano, ;influiría esto en la sensibilidad
del mecanismo de atenuación a los cambios de concentración del aminoácido en la
célula?
6. ;Cómo puede el mecanismo de amplificación génica regular la síntesis de proteí-
nas específicas?
7.
¿Cree usted que el mecanismo de regulación postranscripcional utilizado en la
síntesis de proteínas ribosomales pudiera ser igualmente efectivo en otras proteínas
conjugadas?

218. Entre las ciencias teórica y técnica existe una relación dialéctica. La teoría busca
el conocimiento de las leyes generales de la naturaleza a partir del estudio detallado de
numerosos fenómenos, en tanto, la técnica persigue el objetivo de convertir esos
conocimientos en instrumentos prácticos vinculados directa o indirectamente a la
producción material.
Esta interacción se ha hecho
tan evidente en las últimas décadas, con la aparición
de la revolución
científicotécnica, que ha llevado a formular la tesis de la conversión
de la ciencia en una fuerza productiva; pero existe también la relación inversa, o sea,
los avances tecnológicos también contribuyen, de forma considerable, al desarrollo
de la ciencia teórica con la producción de instrumentos que alcanzan cada vez un
grado más elevado de perfección
y que sirven para profundizar aún más en el
conocimiento de la naturaleza.
A esta situación no escapan algunos campos, al parecer
tan alejados, de la vida práctica como la
genética molecular.
Existen muchos ejemplos de como en los últimos
40 años, el
desarrollo tecnológico
ha conducido a gigantescos pasos de avance en el conocimiento de la biología
molecular. La difracción de rayos
X permitió a los investigadores tener una visión
detallada de la
estmctura de las macromoléculas, asícomo la técnica de centrifugación
en gradientes de densidad de CsCl abrió las puertas al conocimiento del mecanismo de
replicación del
ADN. La adquisición más reciente lo constituye la técnica para unir
moléculas de
ADN in vitro,denominada tecnolw'a del ADN recombinante. Esta técnica
básica y sus múltiples variantes han revolucionado el estudio de la genética de los
eucariontes
y ha proporcionado fuentes de proteínas específicas en cantidades
consideradas anteriormente casi imposible.
En este capítulo se estudiarán los procedimientos generales de esta tecnología y
algunas
implicaciones de sus procedimientos, en especial aquéllos que más vinculados
están con la práctica médica. No se pretende, ni mucho menos, hacer un análisis
pormenorizado de este tema,qne por lodemás estáen constante crecimiento,ni siquiera
dar una descripción de sus múltiples procedimientos. El objetivo principal es dar a los
lectores una idea de cómo estos conocimientos del nivel molecular de la biología
pueden ser utiluados en la práctica.
Piocedimiento general
Existen numerosos procedimientos para la manipulación de los genes, de
acuerdo con los objetivos que se persigan. Un procedimiento general para la

220. Obtención de genes específicos
El mayor impacto de esta tecnolg'a fue sobre los mecanismos de las células eucariotas,
por eso sólo se hará referencia a la obtención de genes eucariontes en forma simplificada,
pues en ocasiones, la complejidad del proceso rebasa los límites de este texto.
El primer intentodeobtención de ungen eucariontefue directamente de lacélula; se
extraían las moléculas de ADN y seexponían a la acción de una enzima de restricción; los
fragmentos quese obtenían solíanser muy grandes y eranecesario volver afragmentarlos
medianteunaendonucleasa con especificidad diferente a la primera; esto podía repetke
varias veces basta obtener fragmentos de tamaño adecuado para su manipulación. El
estudio de los puntos de corte de varias enzimas sobre una molécula de ADN origina los
hdosmapas de restricción, queconsisten en la representación dela molécula de ADN,
señalando los puntos donde es cortada por cada una de las endonucleasas ensayadas;
cuando se tem'a el fragmento deseado se procedía a su inserción en un vector. Pero este
procedimiento no dio los resultados esperados; a partir de experiencias de este tipo fue
que quedaron establecidos el carácter disconünuo de los genes eucariontes y la existencia
de los intrones; estas características entorpecían la expresión de los genes eucariontes en
bacterias.
El segundo procedimiento consistió en aislar no al geu,sino al ARNm transcrito a
partir de él, para ello generalmente se seleccionaba una célula especializada en la síntesis
de determinada proteína, de manera que la concentración del ARNm fuera lo más elevada
posible, por ejemplo, los reticulocitos para el ARNm de la globina, las células P del
páncreas para ARNm de insulina, etcétera. Este proceder tiene la ventaja de que ya han
sido eliminados los intrones. Para la obtención del gen se incuban el ARNm con
los 4 dNTP y una enzima que se obtiene de retrovirns, que es capaz de formar una
molécula de ADN tomando como molde una de ARN, por lo cual se le ha denominado
ADN comolementario (ADNcL en el cual se conserva la información necesaria Dara la . ,
síntesis de proteínas, pero se han eliminado los intrones y, por lo tanto, no se requiere del
procesamiento del transerito primario.
El tercer procedimiento consiste en hacer la síntesis artificial del gen; en estos
casos
se parte de la kuencia de aminoácidos del péptido, pues la síntesis de ADN muy largos
no ha sido posible aún, y se deduce la secuencia de bases del ADN mediante el código
genético.
Esta secuencia no necesariamente es igual a la del gen natural debido al carácter
degenerado del código. Por procedimientos complicados de síntesis artificial se logra una
copia del gen con la secuencia de bases específicas.
Para el proceso de recombinación Ni vitroson necesarias las enzimasde restricción,
que ya fueron estudiadas en el capítulo
33. A los efectos de este procedimiento se
tendrán en cuenta sólo 2 tipos de enzimas, aquéllas que al producir el corte sobre
las 2 hebras del ADN lo hacen de forma que originan pequeños fragmentos monofíbrilares, y las que cortan en el mismositio las2 hebras sin dejar en el producto
este tipo de fragmento; esta distinción se hace porque, de acuerdo con el tipo de
enzima empleada, el procedimiento que se debe seguir será diferente.
En el primer caso se opera de la forma siguiente: se extrae el ADN de la célula y se
digierecon una enzima de reshicción,sea laEcoR1,deesta formase obtienen numemros
fragmentos. El vector que se va a emplear se digiere igualmente con la misma enzima;
se trata de que el vector empleado sólo tenga un sitio sensible a la acción de la
endonucleasaempleada; despnésse incuban juntas las 2mnestras de ADN para permitir
su recombinación y se añade ADN ligasa para sellar las brechas y dejar la molécula
insertada en el vector (Fig. 35.2).
En el segundo caso se requiere de una enzima que es algo excepcional y que se
obtiene de algunos tejidos animales, se trata de la nuclwtidil transferasa terminal, la
cual es una ADN polimerasa que aiiadedesoxinucleótidos (a partir de WTP) al exiremo
3 ' -0H de un fragmento de ADN de cadena simple, con el hecho sobresaliente de que
no requiere un molde para su acción.
Componentes celulares y Genetica moiacuiar 591

222. La recombinación in vitrotambién ha permitido un modo relativamente fácil para
la obtención de genes. En ocasiones es más sencillo trabajar con el genomacompleto
que con un gen particular, sobre todo si este Último es desconocido; eso se logra de la
forma siguiente: se extrae el ADN celular
y se corta en fragmentos, utilizando enzimas
de restricción en fases sucesivas hasta que los fragmentos tengan un tamaño de fácil
manipulación, estos fragmentos se
aíslan unos de otros
y cada uno es recombinado con
un ADN
viral, generalmente de fagos. Las colonias de fagos bien identificadas se
conservan,
y pueden servir para la identificación de
genes específicos; a esta colección
del genoma de una célulaen fragmentos guardados en vectores específicos, casi siempre
en virus, se le da el nombre de genoteca.
¿Cómo buscar un gen en una genoteca? Existen varios procedimientos pero sólo
se hará referencia a uno de ellos, un ejemplo hipotético será más ilustrativo. Suponga
que un tipo de bacterias sintetizaunasustancia P& que es necesaria para so crecimiento
y reproducción, se obtiene un mutante de
fenotipo Pq, que no sintetiza esa sustancia;
si se tiene una genoteca de la bacteria Pq+ se puede aislar el gen mutado, para ello haga
crecer las bacterias Pq-en varias colonias añadiendo al medio de cultivo la sustancia
Pq, luego infecte cada una de las colonias con un virus de la genoteca portador de un
fragmento del ADN. Si se elimina la sustancia Pq del medio de cultivo, sólo podrán
crecer aquellas bacterias que han incorporado de la genoteca el gen mutado. Como el
fragmento está identificado puede fragmentarse con enzimas de restricción
y hacer una
suhgenoteca,
que vuelve a probarse en otros cultivos,
y así sucesivamente hasta obtener
el gen que se busca. Por un procedimiento similar a éste se pudo descubrir
y aislar el
oncogen ras.
Otros procedimientos de recombinación in vitro no serán discutidos.
En el acápite anterior se him referencia a los vectores; se entiende por vector a una
molécula de ADN que se emplea para introducir el gen deseado en una célula. Para que
un vector sea útil debe reunir las condiciones siguientes:
1. Debe ser
cauaz de reolicarse.
2. Debe existir algún procedimiento para detectar su presencia.
3. Debe haber alguna forma de introducir el vector en una célula.
Los
3 tipos fundamentales de vectores empleados en estos procedimientos y que,
por lo tanto, cumplen estos requisitos son los plásmidos, algunos virus- especialmente
los hacteriófagos- y los llamados cromosomas artificiales de levadura.
Los plásmidos son moléculas circulares de ADN extracromosómico encontradas
en muchas bacterias
y en algunas especies de eucariontes. Muchos plásmidos contienen
genes que son esenciales en determinados medios; por ejemplo, los plasmidos del tipo
R contienen
genes que aportan a la célula la resistencia a determinadosantibióticos,
que pueden aparecer en el medio por acción humana o por la presencia de otros
microorganismos que los producen. Los pIásmidos de éste y otros tipos son generalmente
identificados por los genes que portan, sin embargo, en ocasiones, el plásmido es
encontrado de manera accidental como una peqneña molécula circular de ADN presente
en una muestra aislada de un extracto celular.
Los plásmidos tienen por lo regular una sola
moléculade ADN, cuyopesomolecular
está entre lo6 para los menores y 108 para los mayores.
Los plásmidos sólo pueden replicarse dentro de su propia célula, pero la forma en
que lo hacen no es necesariamente igual a la que se utiliza en los cromosomas, incluso
2 plásmidos de una misma célula pueden tener formas distintas de replicación. Se
pueden distinguir
2 tipos de plásmidos de acuerdo con el control de su replicación: los
de control estricto
y los de control relajado; los del primer tipo existen en muy pocas
copias por célula
y su replicación se realiza junto con el ADN cromosómico, y al
dividirse la célula se reparten de forma equitativa entre las
2 células hijas, y los del
segundo tipo existen en un número mayor
y su replicación es independientede la del
Componenees celulares y Gen6tica molecuiar 593

223. Fig. 35.4. Mecanismo de la penetración de
un virus. Los virus se fijan a la
pared de las células bacterianas e
inyectan su material genético al
interior de
la
célula. en tanto, las
proteínas
que forman la cubierta
de virus se quedan en el exterior;
esta
hace que los virus puedan ser
utilizados dicientemente como
veetores en las experiencias de
ADN recombinante.
ADN cromosómico. Si se inhibe la síntesis de proteínas, estos plásmidos se multiplican
rápidamente y pueden llegar a haber cientos por célula por lo que son preferidos para
ser empleados como vectores.
Muchos plásmidos pueden transferir una réplicade ellos desde una célula donante
a una receptora; por ejemplo, si una sola célula de
E.
coü que contiene el plásmidoF se
añade a un cultivo de células tipo F- que no contengan el plásmido, después de varias
generaciones una gran proporción de células contendrá el plásmido F, o sea, se ha
realizado la transferencia de una réplica del plásmido F, de una célula F' a una célula
F-,sin que la célula inicial haya perdido el suyo. Como después de la transferencia,F
se replica, con cada transferencia aparecen más células donantes y como el fenómeno
ocurre
1 a 2 veces por generación, el plásmido se propaga rápidamente en el
cultivo. Estas características de los plásmidos, así como
su posibilidad de
conjugación (capítulo
31) hacen de ellos
unos magníficos portadores de genes
para la tecnología del
ADN recombinante.
Los demás vectores más empleados son los virus, éstos se encuentran formados
por
una molécula de
ADN y una cubierta de
proteína$. Cuando un virus se añade a un
cultivo bacteriano, éste se fija a la pared celular e inyecta su
ADN al interior, en tanto,
las proteínas de la cubierta quedan fuera, como se muestra en la figura
35.4.
Dentro de la célula el virus utiliza el aparato metabólico de ésta para la replicación
de su
ADN y la síntesis de las proteínas
virales, de manera que con un solo virus que
penetre en una célula pueden obtenerse cientos de copias del
ADN
viral, que después
puede recuperarse con relativa facilidad.
Los cromosomas artificiales de levadura son grandes moléculas de
ADN, que se
construyen con los
centrómeros y los telómeros de cromosomas de levaduras y
segmentos de ADN extraño; también contienen las secuencias necesarias para la
replicación. El criterio de selección del vector está determinado esencialmente por el
tamaño del gen deseado. Los plásmidos son capaces de acomodar los genes más
pequeños, en tanto los cromosomas artificiales de levadura acomodan los de gran
tamaño y los virus,los de tamaño intermedio.
Una vez que el gen deseado ha quedado incorporado al vector, éste debe ser
transferido al interior de unacélula, locual en el caso de los plásmidos puede hacerse
mediante sales de calcio que aumenten la permeabilidad de las membranas de Las
células hacterianas.
En el interior de la célula el
ADN se replica muchas veces, por lo que se originan
numerosas copias del gen deseado, o sea, el gen ha sido clonado.
Si el gen no es
muy grande puede realizarse la clonación in vitro mediante el
procedimiento de la reacción en cadena de la polimerasa; para ello es necesario contar
con
2 pequeños oligonucleótidos que sean complementarios a los extremos
5 ' del
gen, los cuales tendrán la función de servir de iniciadores; se procede de la forma
siguiente: el
ADN se calienta a una temperatura de aproximadamente 94
T para
provocar su desnaturalización, después se añaden los oligonucleótidos j se enfría
lentamente hastaunas56 "C,para permitir la hibridación de los oligonucleótidos a los
extremos 5
' de las 2 hebras del ADN desnaturalizado; entonces se añade una
ADS
polimerasay la temperaturaseeleva a 72 'C para realizar la elongación del iniciador.
En la actuaüdad todos los componentes del sistema, incluyendo los 4 desoxinucleósidos
M&tad~se~Smiultáneamente,pne~seublizalaenzimaTaq,e>maídadel Temwphü~~
aquaticus, que es resistente a los cambios de temperatura. Existen equipos que hacen
todo el procedimiento de manera automática. El primer ciclo demora casi 90
segundos, pero para los siguientes pueden utilizarse entre 50
y 60 segundos; se
debe tener presente que en cada ciclo, el número de moléculas de
ADN presentes
se duplica, por lo cual existe un crecimiento
exponencial del tipo 2", donde n es
el número de ciclos. Por este procedimiento pueden obtenerse numerosas copias
del gen en escasos minutos.

224. Identiñcaeión del gen pec0mbinado
El plásmido más empleado para la clonación es el pBR322 de E. coli, que tiene un
peso molecular de 2,9
x
lo6 y porta los genes para la resistencia a la tetraciclina (tet) y
a la ampicilina (amp), por lo que las bacterias que contienen el plásmido pueden ser
detectadas al ponerlas acrecer en un medio que contenga esos antibióticos. Además,
este plásmido presenta
7 sitios de restricción para otro tanto número de enzimas.
El método más empleado para detectar el plásmido recombinante es el llamado
inactivación por inserción. Los sitios para las enzima.
BamHI y Sal1 están dentro del
gen tet, luego si se produce la recombinación utilizando cualquierade estaF enzimas,
el plásmido se torna amp' y tet-, o sea, ha ocurrido una inactivación del gen tet por la
inserción del ADN que queremos donar.
El procedimiento en líneas generales es como sigue: el gen deseado se inserta en
el gen tet del plásmido pBR322 y éste se añade a un cultivo de E. colique sea amp- tet.
Después de esperar un tiempo adecuado para permitir la penetración del plásmido, las
células se transfieren a un medio que contiene cicloserina
y tetraciclina. La cicloserina
mata a las células
que crecen, se multiplican
y
que son resistentes a la tetraciclina. Las
quecontienen el plásmido recombinado no pueden crecer por la presencia de tetraciclina
en el medio; después de un tiempo prudencial las células se lavan
y se cambian a un
medio que contiene ampbilina, antibiótico al
cual las células son resistentes.
Por este procedimiento sobreviven las células amp' tet-, que son precisamente las
que contienen el plásmido recombinado (Fig. 35.5)
+ +
amp tet
am; tet ?, mp- tet
+*
amp tet amp te1
+
amp tet
smp tct
Fig. 35.5. Ideiitiiiiarión del plásniido ~.ecombinado. Si empleamos un plásmido que tiene los genes
,>ara la resistencia a la tetraciclina (tet) y a la ampicilina (amp), o sea, es de tipo tet'amp; Y
el DS de iiuestro interés se incorpora en la zona del gen tet, se origina un plásmido que es
tet aiiip-. Si este plásmido rciombinndo sc introduce en una bacteria que sea tet amp, la
Iiiirtci.ia re torna ter amp*. Estas baeteriasse exponen a la acciónsimultáneadela tetraciclina
! la cicloseriiia. Como las bacterias que sean tet* crecen y se multiplican, la cicloserina las
iiiata. en tanto. las ter, como presentan una inhibición de su crecimiento, na son afectadas
por la cicloserina. Si después las bacterias sobrevivientes
se pasan a un medio que contiene
ampicilina, sólo
quedarán aquéllas que sean resistentes y, par lo tanto, sean
ter amp*, que
son las que han incorporado el plásmido recombinada.

225. Problemas en la producción de proteínas eucariontes
La utilización de bacterias para la producción de proteínas de eucariontes origina
los problemas siguientes:
1. Las
ARN polimerasas bacterianas no reconocen los promotores de eucariontes.
2. Los ARNm transcritos de genes eucariontes no contienen en el extremo conduc-
tor la secuencia rica en purinas, que permite a los ARNm de procariontes unirse
específicamente al ribosoma.
3. Las proteínas eucariontes sufren modificaciones postraduccionales específicas.
4. Las bacterias contienen proteasas que reconocen como extrañas las proteínas
eucariontes
y las
bidrolizan.
Los problemas 1 y 2 pueden eliminarse si el gen se une previamente a un promotor
bacteriano, por ejemplo, el promotor del operón lac.
El procesamiento de las proteínas en general se realiza in vitro. La protección
contra las proteasas se logra en ocasiones por la obtención de bacterias mutantes, que
carecen de esa actividad especíñca, o por el empleo de inhibidores. Aun así, no es fácil
lograr todas las condiciones requeridas para un caso específico, de ahí que el número
de experiencias exitosas no sea aun muy elevado.
Expresión de
genea donados
Para la expresión de los genes clonados es necesario que éstos sean transcritos y
traducidos, para eso debe constmirse el llamado vector de expresión.
Si el vector utilizado en la clonación contiene un promotor cerca del sitio de
inserción, este promotor puede ser usado, pero en muchos casos el vector carece del
promotor adecuado, entonces es necesario reconstruirlo de forma que contenga, además
del gen deinte&,el promotor adecuado. En estos
casos se trata de emplear un promotor
fuerte para hacer máxima la transcripción, o un promotor que presente alguna
característica especial.
El procedimiento comúnmente
ualizado es rediseñar un plásmido, de manera que
contenga la región promotor operador del operón lac
y hasta un pequeño sector del
gen de la
p- galactosidasa seguido del gen deseado. En estas condiciones la adición
del inductor conectará el sistema que producirá la proteína deseada,
y la adición de
glucosa desconectará el sistema
al aumentar la concentración intracelular del
AMPc.
El trabajo más difieil consiste en la purificación de la proteína producida, pues es
una
tarea muy
labo-riosa que requiere una gran destreza y en la mayoría de los casos no
poca imaginación.
A pesar de todos estos recursos no siempre se logra la expresión del gen; sólo una
de las
2 hebras del ADN es utilizada como molde en la transcripción, y en el proceso de
recombinación artificial se introduce ADN de doble hebra. Como los
2 extremos son
iguales, por la simetría
dela secuencia,existe la posibilidad de que el apareamientose
produzca de forma que coincida la cadena codificadora del promotor con la no
codificadora del gen insertado, en este caso la expresión es imposible.
Basta quema o varias célulaslogren la incorporacióndel gen enla forma adecuada,
para que al cabo de algunas horas se tengan tantas copias como se quiera; la
E. coli
tiene un tiempo de duplicación de sólo
30 minutos.
Experiencia típica
Una vez conocidos todos los elementos de trabajo,
así como las dificultades que
encierran estos experimentos, se describirá una experiencia exitosa de síntesis de un
producto eucarionte por medio del aparato metabólico de la
E.
Coli, se trata de la

226. somatostatina, una hormona polipeptídica de 14 aminoácidos que se sintetiza
normalmente en el hipotálamo
y el
páncreas.
Como el número de aminoácidos es pequeño, se procedió a la síntesis artificial del
gen que contiene51 pb, cuya secuencia en la banda codificadora sería:
T A
C-( las 42 bases que codifican la somatostatina)-A C T A C T
la secuencia de bases en el ARNm sería
A
U
G-( las42 bases de lasomatostatina)-U G A U G A.
Así, este ARNm tiene un codon para la metionina (que no se emplea en la
iniciación), la secuencia codificadora
y 2 codones de terminación consecutivos.
Se
uolizó como vector un plásmido de
E.
dique fue reconstruidocon un segmento
del operón lac
y que contenía la zona del promotor operador, así como un pequeño
sector del extremo N-terminal de la
P galactosidasa. El vector fue cortado mediante
una enzima de restricción
y recombinado con el ADN sintetizado.
Una vez lograda la incorporación del
pl&mido a la bacteria, éstasfueron colocadas
en un medio de cultivo carente de glucosa al que se adicionó isopropiltiogalactósido
(IFTG), un inductorgratuitodel operón lac.
Cuando se produce la inducción se obtiene una proteína que contiene un segmento
del extremo N-terminal de la p- galactosidasa, unido a la somatostatina mediante la
metionina, y que termina gracias a la doble señal de terminación del ADN sintetizado.
Esta proteína es purificada
y tratada con bromuro de cianógeno, un agente que provoca
la ruptura de enlaces peptídicos del lado
carboxíiico de la metionina,de esta forma la
metionina ligante queda unida al extremo de la galactosidasa y se libera la
somatostatina (Fig.
35.6).
H>N Met Ala -Gly Xys -Lys -AsN Phr -Phc ,
TI,,
O=C - Cys - Ser - TE - Phr - Tic - Lys '
HO'
Met H,N-Ala-Gly Ser-Cys-C=O
'OH
El uso de la metionina como ligante puede ser útil en la síntesis de péptidos
pequeiios, a menos que la metionina forme parte de la estructura del péptido.
En la actnalidad se han logradosintetizar otras proteínas de eucariontesmediante
procedimientos similares al descrito como son: la insnlina, hormona pancreática de
gran importancia en el tratamiento de la diabetes mellitus, la ovoalbúmina
y
especialmente el
interferón humano, un potente agente antiviral y posiblemente
antitumoral. Esta proteína es producida actualmente en nuestro país por diferentes - -
prncedimientos como ingenie& genética y fue utilizada en el tratamiento de la epidemia
de dengue hemorrágico, introducida de manera criminal en Coba
y que costó la vida a
más
del00 personas entre ellas a muchos niños.
Fig. 35.6. Síntesis de la somatostatina. El
plimiido hir ~~onstniido con el gcii
de la somatostatina, sintetizado
artificialmente, y el promotor del
opedn lac El don pana la metioninn
pemiitiúqueal tratarel prndueto ron
bromuro de iianógexio se liliernrn la
sonratostatina del segniento de
B.gdalact<sida% qiic tenía unido.

227. En principio cualquier proteína eucarionte puede ser producida mediante esta
tecnología con un sistema apropiado.
Fig. 35.7. Alelos que difieren en sus sitios
de restricción.
Los
genes Al y A2
son aleles que se difereiirian por-
que en unos de ellos la iiiiitnción
ha originatlo un nuew sitio de res-
tricción. Así, cuando el ADN es
tratado con esa enzinia, el alelo Al
originará
un solo fragmento de
restricción
de 20 kh, en tanto, que
A2 origina un frazrnenta de 8 kb
Empleo diagnóstico
La presencia de formas alélicas de un gen en un individuo, que en algunos casos
pudiera ser patológica, es detectada habitualmente por electroforesis o métodos
antigénicos de las variantes de proteínas, aun cuando se sabe que ello se debe en
última instancia a variaciones en la secuencia de bases del
ADN en los loci
cromosómicos correspondientes. Recientemente métodos derivados de la tecnología
del
ADN recombinante han permitido el análisis directo de las secuencias del gen,
así
como determinar sus alteraciones específicas que provocan cambios estmctnrales de
una proteína particular. La utilidad de esta técnica es que permite la distinción entre 2
copias de un locnsparticular del genoma humano.
El método más utilizado en la práctica para el estudio de las variaciones génicas es
el uso de las enzimas de restricción; como estas enzimas realizan su acción en sitios
específicos del
ADN, un cambio en la secuencia puede conducir a la aparición o
desaparición de un sitio particular
y, por lo tanto, se altera el tamaño de los fragmentos
que se obtienen cuando el
ADN es digeridoutilizando esa enzima; lo mismo ocurre si
existen deleciones o inserciones.
La diferencia en los tamaños de los fragmentos de
una región determinada de
cromosomas homólogos puede ser detectada, con lo que se determina la existencia de
los alelos.
Suponga que un gen presenta
2
alelos Al y A2, en el Al existen 2 sitios reconncidos
por una enzima de restricción separados por una distancia de
20 kb; pero en A2,
producto de las mutaciones, ha aparecido un nuevo sitio de restricción para la misma
enzima entre los
2 anteriores, de manera que la acción de la enzima dará lugar a 2
fragmentos de 8 kb y 12 kb, respectivamente
(Fig. 35.7).
Si el
ADN de una célula se extrae y fragmenta con la enzima de restricción, se
obtendrán numerosos fragmentos que deben ser sometidos a electroforesis en gel de
agarosa para separarlos de acuerdo
con su tamaño.
-
Se prepara un polinucleótido que contenga una secuencia de bases similar a la del
fragmento con tamañode8 kh, utilizando dNTPmarcado con fósforo radiactivo, que
recibe el nombre genérico de sonda.
Una vez terminada la electroforesis, la placa de agarosa se transfiere a un soporte
sólido embebido en una solución que contiene la sonda
y se da el tiempo suficiente
para permitir la hibridación entre la sonda
y el ADN fragmentado. El soporte se separa
delasolución
y se
cubrecon una placa fotográfica (autorradiografia) qne,al ser revelada,
muestra la posición de los fragmentos de interés. Como la sonda sólo puede hibridarse
en la zona del fragmento de
8 kb, aparecerá unida tanto al
alelo Al como al fragmento
pequeño del alelo A2, que por ser de diferentes tamaños aparecen en sitios diferentes
en la autorradiografia (Fig. 35.8).
Si una familia es portadora de una enfermedad genética producida por genes de
este tipo, puede hacerse el diagnóstico prenatal mediante la obtención de células del
líquido amniótico y procesándolas de esta manera. En nuestro país ha sido introducido,
hace algunos años, un procedimiento similar para el diagnóstico prenatal de la
sicklemia. Procedimientos de este tipo pueden ser utilizados en los departamentos de

228. realizar una caracterización más profunda de la trasplante de órganos para
compatibüidad entre los donante
y los receptores. También este
proc~dimiento puede
ser utilizado en medicina legal, siempre que en un hecho delictivo queden como
huellas células de los delincuentm, como en el caso de homicidios, violaciones, etcétera.
Perspectivas
Muchos son los campos del quehacer humano donde la tecnología del ADN
recombinante puede dar grandes resultados. La introducción de genes específicos en
bacterias puede ser de gran utilidad, si estos organismos con su actividad provocan
un
mejoramiento del suelo, un incremento en la fijación de nitrógeno u otras
Fig. 35.8. Identificación de fragmentos de
restricción. El
ADN
genómieo de
3 individuos es fragmentado me-
diante una enzima de restricción.
Los fragmentos se someten a una
electroforeais en gel de agarosa que
los separa de acuerdo con su lon-
gitud.
Se transfieren a un soporte
sólida
y se embeben en una solu-
ción
que contiene la sonda
radiactiva durante el tiempo ne-
ce5arbpara permitir la hibridación;
después se somete a un iiroceso de
se observa en las resultados, el su-
jeto
A es
homocigótico para el alelo
Al (de 20 kb), el sujeto C es
homocigótico para el alelo A2 y
el B es heterocigótiea, pues pre-
senta tanto el alelo Al de 20 kb
cona el A2 que origina el frag-
mento de 8 kb.
Componentes celulares y Genttica molecular sss

229. modificaciones que hagan que se obtengan cosechas más productivas, tanto cualitativa
como cuantitativamente.
La producción de agentes biológicos, que ayudan al hombre a combatir las enfer-
medades en formas inocna y económica, es también una de las posibilidades de estas
técnicas.
La producción de microorganismos, que ayudan a combatir la contaminación
ambiental tanto de la atmósferacomo de los mares y nos, propiciaría que el hombre
pueda vivir en un planeta con ambiente menos agresivo; ésta entre otras producciones
constituyen posibilidades casi inmediatas de la tecnología del ADN recombinante.
Aun cuando en estos momentos no se vislumbra. ouede. oue en un futuro no
,
& , .
lejano,esta técnica sea capaz deenfrentar el hatamiento de enfermedades hereditarias,
al producir rectificaciones de los genes alterados mediantesnsustitucióo por los nor-
males.
Se requieren muchos ;úio?.de investigación y trabajo para que la humanidad agote
las posibilidades de esta nueva conquista de la ciencia.
Es lamentable que la ingeniería geoética también puede ser utilizada en contra de
los hombres. La creación de organismos productores de enfermedades con elevada
capacidad inefectiva, contra los cuales no existen tratamiento
y la contaminación del
ambiente con productos residuales del metabolismo de bacterias alteradas son ejem-
plos menores de cómo pueden utilizarse las manipulaciones genéticas contra sus pro-
pios descubridores.
Esto no
debe Uevar a suspender las investigaciones en este campo, pues el empleo
que se dé a sus resultados no depende de los procedimientos empleados, sino de las
concepciones ético-políticas de los gobernantes de los países donde se desarrolle esta
importante tecnología.
La explosión de la bomha atómica en Hiroshima y Nagasaki, con toda su secuela
de muerte s destrucción aue se extiende basta nuestros días. nor una narte. v las . . ,"
grandes centrales átomo eléctricas que existen en numerosos países que han llevado la
comodidad
y el desarrollo a grandes núcleos de población, por otra, ejemplifican de
forma clara
que el peligro no está en las fuerzas de la naturaleza que el hombre descn-
bre, sino en el empleo que el propio hombre hace de ellas.
En todo caso nuestra posición, desde el punto de vista ético, lleva a condenar el
uso de estas -y de cualquier otra- conquistas de la ciencia como instrumento para
provocar la destrucción de la humanidad, en vez de hacerlo parasu bienestar
y desarro-
llo.
Resumen
Uno de los
éxitos más sobresaüentes de la genética moleeular ha sido la intm-
ducei6n de
la tecnología del ADN
reeombinante, que ha permitido obtener protef-
nas eueariontes en cantidades antes insospechadas y al mismo tiempo un análisis
del gen al nivel molenilar.
El procedimiento general consiste en
la
obtenei6n de un gen particular, su
incorporaci6n a un vector y su propagaci6n. Los genes pueden obtenerse por frag-
mentari6ndelADN,por aislamiento del ARNm y slntesisdel een wr laúmswi~tasa
inversa o por sinte& artificial del gen. LO; vectorea & empleados son los
plásmidos, los Virus y los mmosomas artiñeiales de levadura. La uni6n del gen al
vector puede ocurrir de 2 formas, según el tipo de enzima de resMed6n empleada
en el proceso. Cuando
la enzima no da
fragmentos monofibrilares se requiere el
conm de
la
nudeotidil transfem terminal.
La producci6n de proteínas eucariontes en bacterias presenta varias
dificultades, pero basta con obtener algunas células recombinantes que,
proporcionándoles el medio adecuado, en
pocas horas se tendrán tantas como se
quiera.

230. Mediante estos pmcedimientos se han obtenido nume- proteínas, entre
ellas la somatostatina, la insulina y el interferón, el eual se obtiene con éxito en
nuestro país desde hace algunos dos.
La tecnología del ADN recombinante puede ser 6oI en el análisis del gennma y
proporciona un pmcedimiento preciso para el diagn6soco prenatal de algunas
enfermedades genéticas; también puede ser utilizada en Jas departamentos de
trasplante y en medicina le@
Amplias son
las perspectivas de esta
tecnologfa para la agricultura, el
saneamiento ambiental
y
ia medieina No obstante, también puede ser empleada en
perjuido del hombre, dependiendo de quienes
sean los que la empleen y no de los pmcedimientos técnicos. La humanidad debe condenar enérgicamente el empleo
criminal de estos procedimientos.
Ejercicios
1. ;Cuáles cree usted que son las características que presentan los plásmidos que les
permite servir de vectores en los procedimientos del
ADN recombinante?
2. Haga un
diseñode unexperimento para recombinar U> vitmun gen con un plásmido,
utilizando alguna de las enzimas de restricción que aparecen relacionadas en el
capítulo
33.
3.
;Cuál fue el principal inconveniente encontrado al utilizar directamente los genes
eucariontes para la recombinación in vitro? ¿Cómo pueden eliminarse esos incon-
venientes?
4.
¿Por qué no siempre se logra la expresión de los genes aún cuando han sido
incorporados al vector y éste se multiplica en la célula receptora?
5.
;Qué ventaja representa la incorporación del promotor lac en los vectores?
6. ;Cómo puede la tecnología del ADN recombinante favorecer el desarrollo de un
departamento de trasplante de órganos?
7.
;El hecho de que los procedimientos del ADN recombinante puedan ser utilizados
para causar daño a la humanidad, debe indicarnos que hay que concluir las inves-
tigaciones en este campo?
8. ;Qué perspectivas representa la tecnología del ADN recombinante para los países
subdesarrouados?

231. Resumen de la sección
Esta sección se ha dedicado al estudio de los principales aspectos relacionados
con la información genética interpretándolos desde el punto de vista de la estructura,
las propiedades
y las funciones de las
macromoléculas.
La información genética es una de las formas de expresión de la información
molecnlar que puede ser de tipo secuencial
y conformacional; por lo que no se trata de
un nuevo tipo de información, que distinguirla cualitativamente sólo pretende realzar
su significado para la vida de las células. No obstante las diversidades de procesos y
mecanismos, se pueden encontrar algunas generalidades que a manera de resumen
general se exponen a continuación.
Toda la información
genética que determina la identidad de cada organismo está
codificada en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN
y por lo tanto es esencial-
mente de tipo secuencial. Pero el ADN contiene además en su estructura las
inshuccio-
nes para su lectura, dadas por las irregularidades estrnctnrales que surgen a lo largode
la molécula, de acuerdo con la secuencia de bases en sectores específicos. Todo el
proceso de surgimiento
y transformación de los seres vivos durante el período evolu-
tivo alcanzan su última expresión en la lucha entre la estabilidad
y la mutabilidad de
esa secuencia de bases.
Conservar la información
genética de un organismo y garantizar que éste origine
siempre descendientes iguales a sí implica conservar inalterada la secuencia de bases
desn ADN. Por el contrario, la aparición de variedadesen la formao las funciones de
los organismos significa la alteración de la secuencia de bases de su ADN con respecto
a lade sus progenitores. La existencia de secuencias no codificantes, de genes repeti-
dos y los mecanismos de modificación-restricción por una parte y el complejo meca-
nismo de replicación del ADN, que implica una elevada fidelidad de copia, así como
los de reparación aseguran a la estabilidad del material genético; mientras que las
mutaciones y la recombinación genética contribuyen a la mutabilidad del mismo. Es
evidente que aquí sólo se hace referencia a lo que sucede en el organismo, pues las
condiciones del medio influirán decisivamente en determinar cuáles serán los organis-
mos que permanecerán y cuáles no. De esta forma a la lucha entre la estabilidad y la
mutabilidad del material genético se suma la lncha permanente entre el genoma y el
ambiente; ambas han contribuido de forma decisiva al desarrollo histórico natural de
losseres vivos, desde las formas más simples hasta las más complejas.
A pesar de lasdiferencias evidentes que existen entre todos los procesos de trans-
ferencia de información genética, hay en ellos una uniformidad fundamental. El meca-
nismo básico que se pone en juego en los diferentes fenómenos relacionados con la

232. información genética es el apareamiento de bases que es muy estricto en el ADN y
menos en el
ARN. Este mecanismo es el que
sirve de base a la replicación, la transcrip-
ción, la recombinación y la reparación, también está presente en la traducción, pues la
colocación de los aminoácidos en la cadena polipeptídica depende del apareamiento
de bases entre el codon y el anticodon. Es por ello que en todos estos procesos siempre
se utiliza una secuencia de bases que dirige el orden en que los diferentes componentes
deben ser organizados.
La parte activa de todos los mecanismos la representan proteínas, un grupo de
éstas tiene la característica de reconocer secuencia de bases específicas y proceder de
acuerdo con ellas. El origen de replicación, el promotor, el operador, el terminador, las
secuencias iniciales
y finales de los intrones son algunos de estos ejemplos donde
secuencias específicas de bases son reconocidas por proteinas específicas y ese reco-
nocimiento es indispensable para su actividad. Otras tienen actividades
enzimáticas
especiales que se ajustan perfectamente a las características estmcturales de los ácidos
nucleicos y que no son posible encontrar en enzima que actúen con otros sustratos. En
casi todos los casos estas proteinas se asocian formando grandes complejos
multiproteínicos que por sus diferentes actividades y su organización
supramacromolecular constituyen verdaderos organitos subcelulares.
Por la importancia que tienen para la vida y por su elevado grado de complejidad,
todos estos procesos necesariamente tienen que estar sometidos a finos mecanismos de
regulación que permitan que ellos se realicen en el momento y en el lugar adecuados;
este control seejerce a varios niveles y responde a numerosas señales que forman vías
de transferencia de información que van desde el entorno hasta el núcleo celular. Por
los conocimientos actuales se sabe que esas vías forman verdaderas redes que conver-
gen o divergen de nudos de acumnlación de información y que muchas veces tienen
carácter redundante. En estos momentos los mecanismos mejor conocidos son los de
control transcripcional.
A pesar del avance alcanzado en los últimos años, el conocimiento actual que se
tiene de estos fenómenos no permite arribar a otras conclusiones, pues en todos los
mecanismos quedan aún aspectos importantes por dilucidar, sobre todo en lo referente
a las propiedades de las proteinas que participan en ellos y a sus mecanismos de
regulación.
Se espera
que con la introducción de los procedimientos de la tecnología del
ADN
recombinante en los próximos años, muchos de estos aspectos queden esclarecidos,
aunque de seguro el carácter inagotable del conocimiento de la naturaleza planteará
problemas que hoy son totalmente desconocidos.