pdv - expresión génica
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CURSO: BIOLOGÍA MENCIÓN
MATERIAL BM Nº 12
UNIDAD I: VARIABILIDAD, HERENCIA Y EVOLUCIÓN
EXPRESIÓN GÉNICA
INTRODUCCIÓN
La expresión génica es el proceso mediante el cual la información almacenada en el DNA esusada para dirigir la síntesis de un producto génico específico (proteínas; RNAr; RNAt).
Este producto génico es el responsable de llevar a cabo una función celular específica, la queterminará manifestándose como un rasgo fenotípico adquirido por la célula en la que estainformación genética se expresa.
Sin embargo, el momento en que esta información genética es expresada, se encuentra altamenteregulada por diversos factores (entre ellos, estímulos ambientales, la acción reguladora deciertas hormonas, el grado de condensación de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, entodo momento, la producción adecuada de proteínas, para cuando ellas sean requeridas por elmetabolismo celular.
Durante el proceso de diferenciación celular, la expresión génica se regula de modo que ciertosgenes se "encienden" y otros se "apagan", permitiendo a las células modificar su contenidoproteico y, por lo tanto, su propio fenotipo, que es el requisito necesario para transformar untipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a unindividuo.
Las mutaciones pueden alterar la información almacenada en los genes, originando a partir deun gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). Estos genes alelos son losresponsables de las variaciones fenotípicas (diversidad biológica) que manifiestan laspoblaciones de seres vivos, sobre las que actúa el proceso de selección natural durante laevolución de los seres vivos.
1. LOS EXPERIMENTOS QUE DEMOSTRARON QUE EL DNA ES ELMATERIAL GENÉTICO
Hacia 1887 los investigadores habían llegado a la conclusión de que la base física de la herenciase hallaba en el núcleo. Se demostró que la cromatina consistía en ácidos nucleicos y proteínaspero no se sabía con certeza cual de las dos sustancias era el material genético.
Mientras los químicos procuraban resolver la estructura del DNA, los biólogos trataban deidentificar la fuente de información genética. Se llevaron a cabo experimentos con bacterias ycon virus, que proporcionaron la evidencia fundamental de que el material genético no era laproteína sino el DNA.
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Descubrimiento del principio de transformación
En 1928, F. Griffith observó que la bacteria Streptococcus pneumoniae, productora de laneumonía humana, se presentaba en dos cepas distintas. Una de ellas es virulenta (provoca laenfermedad), presenta capsula y forma colonias con aspecto liso; denominada cepa IIIS y a laotra variante de neumococo, que no presenta cápsula, no produce la enfermedad y forma coloniasrugosas se denominó cepa IIR. Con estas dos cepas Griffith realizo el siguiente experimento(Figura 1).
Figura 1. Experimento de Griffith que puso en evidencia la existencia de un principio transformante
El experimento hizo que Griffith llegara a la conclusión de que las bacterias de tipo IIR sehabían transformado de algún modo y habían adquirido la virulencia genética de las bacteriasmuertas de tipo IIIS. Esta transformación produjo un cambio genético permanente en lasbacterias, sin embargo Griffith no comprendió la naturaleza de la transformación y supuso quealguna sustancia de la cubierta de polisacáridos de las bacterias muertas podría explicar elcambio. A esta sustancia la denominó principio de transformación.
Pregunta: ¿un extracto de bacterias muertaspuede transformar genéticamente células vivas?
Experimento
Conclusión: una sustancia presente en las bacterias virulentas muertas poracción del calor transformó genéticamente las bacterias de tipo IIR enbacterias de tipo IIIS virulentas vivas,
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Pregunta: ¿cuál es la naturaleza química de lasustancia de transformación?
Experimento
Conclusión: dado que solo la DNasa destruyóla sustancia de transformación, la sustanciaresponsable de la transformación es el DNA.
Identificación del principio de transformación
Posteriormente y tras diez años de investigaciónAvery junto con MacLeod y MacCArty pudieron aislary purificar esta sustancia. Demostraron que sucomposición química correspondía al DNA ydiferente de las proteínas.
Sometieron a la sustancia a la acción dediversas enzimas, como la tripsina y laquimiotripsina, las cuales actúan en ladegradación de las proteínas, pero no teníanningún efecto sobre esta sustancia. Lomismo sucedía con la ribonucleasa; enzimaque destruye al RNA. Sin embargo lasenzimas capaces de destruir el DNAeliminaron la actividad biológica de lasustancia de transformación. (Figura 2).
Además los científicos demostraron que lasustancia de transformación purificada seprecipitaba con la misma velocidad que elDNA purificado y absorbía la luz ultravioletaen la misma longitud de onda que el DNA.Estos resultados publicados en 1944, fueronla primera evidencia convincente que elprincipio transformante y por ende lainformación genética esta en el DNA.
Pese a que esta prueba demostraba que elDNA era el principio transformante, muchosbiólogos se resistían en aceptar esta idea ypreferían la hipótesis de que el materialgenético es la proteína.
Figura 2.Experimentos de Avery, MacLeod yMacCArty para la identificación del principiode transformación.
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Segunda evidencia: Experimento con virus de Hershey - Chase
Frente a la resistencia de muchosbiólogos, en 1952 Alfred Hershey yMartha Chase proporcionaron unasegunda evidencia de que el DNA es elmaterial genético.
Estos científicos realizaron un trabajoexperimental con el virus T2, unbacteriófago que infecta a la bacteriaEscherichia coli, el cual se reproduceuniéndose a la pared externa de labacteria, inyectando su DNA dentro deella donde se replica y dirige la síntesisde las proteínas propias del fago. ElDNA del fago se encapsula dentro delas proteínas y produce los fagos, quelisan o rompen la célula y liberando losfagos de la progenie.
En ese momento los biólogos nocomprendían con exactitud como sereproducían los fagos. Si sabían que losfagos T2 se componían de un 50 % deproteínas y de un 50 % de ácidosnucleicos y que los fagos ingresaban alas bacterias y se reproducían. Como laprogenie portaba los mismos rasgos deinfección, el material genético de estedebía transmitirse a la descendencia,pero se desconocía el mecanismo.
Hershey y Chase idearon una serie deexperimentos para determinar que setransmite durante la reproducción delfago: la proteína o el DNA.
Para rastrear el destino de lasmoléculas en la reproducción viral,utilizaron formas radioactivas (isótopos)del fósforo y azufre. Un isótoporadioactivo puede utilizarse comomarcador para identificar la ubicaciónde una molécula especifica, porquecualquier molécula que contenga elisótopo es radioactiva y, por ende, fácilde detectar. El DNA contiene fósforo,pero no azufre, por lo tanto se utilizo32P para marcar el DNA, en cambio laproteína tiene azufre, pero no fósforo,por lo que se utilizo 35S .El desarrollodel trabajo experimental de Hershey yChase se presentan en la figura 4.
Figura 3 .Reproducción del bacteriófago T2.
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Figura 4. Experimento de Hershey y Chase para identificar si el material genético era la proteína o el DNA.
Pregunta: ¿qué parte del fago –el DNA o la proteína- sirve como material genético y se transmite a su progenie?
Experimento
Conclusión: el material genético de los bacteriófagos no es la proteína sino el DNA.
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Este trabajo les permitió a los científicos concluir que es el DNA y no la proteína la que entra en labacteria durante la reproducción del fago y que solo el DNA se transmite a los fagos de laprogenie.No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cómo un compuesto tan simple podíaalmacenar y transmitir tanta información. La respuesta la proporcionó el progresivo conocimientode su estructura. Desde que, en 1953, J. Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructurade doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética,nadie dudó de la función y la importancia del DNA.
2. CONCEPTO DE GEN
En la actualidad se cuenta con nuevos elementos que permiten precisar algunas definiciones, locual no significa que estos conceptos sean únicos y definitivos, ni que estas concepciones sean lasúnicas imperantes.
Los genes tienen diferente longitud y no están ubicados en forma equidistante. Cada gen es unaporción de una molécula de DNA y no tiene extremos físicos. Los extremos están dados porcambios en la calidad de la información, los genes no son contiguos, sino que están separados porregiones no codificantes de DNA. Algunos están agrupados y otros aislados en diferentes regionesdel cromosoma.
Una de las posibles definiciones de gen corresponde a todo segmento de DNA que seencuentra luego de un promotor y que puede ser transcrito por una RNA polimerasa yoriginar un RNA funcional (mRNA, rRNA, tRNA, snRNA, ribozima y otros tipos de RNA).
Como se observa, muchos genes codifican RNA que nunca se traducen en proteínas, como lostRNA, los rRNA y los RNA que forman parte de los snRNP. Así, las definiciones clásicas no seajustan a los conocimientos actuales.
Los nuevos procedimientos y modelos de la biología molecular nos llevan a revisarconstantemente los conceptos y definiciones que alguna vez resultaron útiles. Esto demuestra,una vez más, que la biología molecular, tanto como las otras ramas de la biología, es una cienciaque se construye por medio de un proceso de cuestionamiento permanente, formulandomodelos que siempre serán perfectibles. A su vez, es importante considerar que la biologíamolecular brinda un nivel de aproximación de los fenómenos biológicos, pero que existen otrosniveles de organización que influyen y son influidos por los fenómenos que ocurren a nivel de lasbases moleculares de vida.
Los genes que contienen la información para la producción regulada de enzimas yproteínas estructurales permiten controlar las reacciones bioquímicas y la forma de losorganismos.
El material genético se manifiesta dando forma y función a las proteínas, y debe replicarse con lasuficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempopermitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato para la evolución.
El DNA es la macromolécula portadora de los genes. Un gen se define como el factor genéticoque contribuye a determinar una característica, las secuencias de ADN que codifica unamolécula de ARN o la secuencia completa del DNA requerida para transcribir y codificar unamolécula de RNA.
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3. RELACIÓN ENTRE GENOTIPO Y FENOTIPO
Primero se definirán ambos términos.
Genotipo: corresponde a la constitución genética de una sola célula o de un organismo conreferencia a una sola característica o a un conjunto de características; la suma total de todoslos genes de un individuo.
Fenotipo:corresponde a las características observables de un organismo que resulta de lasinteracciones entre el genotipo y el ambiente.
La relación de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en la siguiente secuenciade conceptos:
El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez está determinadopor el fenotipo de sus células componentes.
El fenotipo de una célula está determinado por su química interna, que es controlada por lasenzimas que catalizan sus reacciones metabólicas.
La función de una enzima depende de su estructura tridimensional específica, además dependede su secuencia lineal específica de aminoácidos.
Las enzimas y las proteínas estructurales, presentes en una célula, están determinadas por elgenotipo de la célula.
Los genes especifican la secuencia lineal de aminoácidos en las proteínas y por lo tanto losgenes determinan el fenotipo.
El fenotipo está determinado por el genotipo más la acción ambiental.
4. FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
F. Crick enunció lo que él llamó “el dogma central”, según el cual la información fluye del DNA alas proteínas en una única dirección.
DNA transcripción RNA traducción Proteínas
Así, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composición de las proteínas. F. Crick fuecriticado por utilizar el término “dogma” ya que un dogma es algo que no se pone en duda. Elcientífico reconoció más tarde que debió llamarlo hipótesis central.
Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unaspocas excepciones. La principal excepción corresponde a la transcripción inversa, en la cual lainformación codificada por ciertos virus que contienen RNA se transcribe al DNA por la acción de laenzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hipótesis central hoy se presenta así.
DNA transcripción
(transcriptasainversa)
RNA traducción Proteínasreplicación
El genoma humano es la totalidad de la información del Homo sapiens, es decir, lasecuencia de ADN contenida en 23 pares de cromosomas en el núcleo decada célula humana diploide y la secuencia del ADN mitocondrial.
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5’
3’
DNA
RNA polimerasa
cadena de DNA transcrita
5’RNA transcrito
Región promotora
3’
5’
5’
3’
5’
Reenrollamientodel DNA
cadena de DNA no transcrita
Desenrollamientodel DNA
3’
Sentido de la transcripción
DNA
3’ 3’
5’
3’ 5’
TRANSCRIPCIÓN O SÍNTESIS DEL RNA
La transcripción consiste en la síntesis de una molécula de RNA a partir de una de las cadenas delDNA; esta cadena se denomina complementaria, molde, no-codificadora o templado; la otrahebra del DNA se denomina no complementaria o codificadora (Figura 5).
Figura 5. Representación del proceso de transcripción. Observe que la dirección de la trascripción siemprees de 5´ a 3´, es decir, la elongación o crecimiento de la molécula de RNA es siempre por el extremo 3´.
Es importante destacar que los RN A que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra moldeo templada de DNA puede terminar como: RNA mensajero, RNA de transferencia y/o RNAribosomal; estos dos últimos no llevan información genética para la síntesis de una proteína,pero son imprescindibles en el proceso.
Cuestiones básicas sobre la síntesis de RNA:
Todos los RNAs se sintetizan por medio de reacciones catalizadas por RNA polimerasas,gracias a la información contenida en el DNA que sirve de patrón o molde. La direcciónde la transcripción siempre va en el sentido 5’ a 3’.
La síntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de RNA que se formaes complementaria a un fragmento de una de las cadenas de DNA. En la cadena de RNAno aparecerá la base timina que será sustituida por uracilo.
Existen notables diferencias en la transcripción de células procariontes y eucariontes.
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Etapas de la transcripción:
Se estudió inicialmente en Escherichia coli y el proceso consta de cuatro fases:
A) Iniciación o ensamblaje de moléculas.B) Elongación o crecimiento de la molécula de RNA.C) Terminación o conclusión de la cadena de RNA.D) Maduración o transformación del RNA transcrito.
Se hará un breve análisis de cada una de ellas.
A) Iniciación
La RNA polimerasa se une fuertemente cuando entra en contacto con una secuencia específica deDNA, llamada promotor. En el promotor se encuentran dos cortas secuencias situadas entre -35y -10 nucleótidos del inicio (0) de la transcripción. La misión de las secuencias promotoras esindicar dónde se inicia la transcripción, en cuál de las dos hebras del DNA y en qué lugar (Figura6).
Figura 6. Centros promotores y sitio de inicio de la transcripción en la hebra molde o templado de DNA.
B) Elongación
Después de unirse al promotor, la RNA polimerasa abre una región localizada de la doble hélice,de forma que expone los nucleótidos de ambas cadenas de una pequeña zona del DNA. Una de lasdos cadenas expuestas del DNA actúa como patrón para el apareamiento de las basescomplementarias y se inicia la formación de una cadena de RNA. De esta forma, la cadena deRNA va creciendo nucleótido a nucleótido en dirección 5’ a 3’ (Figura 7). El proceso de elongaciónde la cadena continúa hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del DNA, laseñal de terminación.
Inicio de la transcripción
-35 -10
0
TTGACA TATATT
DNA-10
Durante la elongación de la cadena de RNA, la polimerización alcanza una velocidadde 30 nucleótidos por segundo a 37º C. Por consiguiente, una cadena de RNA de5.000 nucleótidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.
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Figura 7. Síntesis de una molécula de mRNA.
C) Terminación
Existen diversas señales de terminación en el DNA molde que son secuencias que desencadenanla separación de la enzima RNA polimerasa de la cadena molde y del RNA transcrito.
D) Maduración
En procariontes el RNA mensajero, antes de terminar el proceso de transcripción empieza aser traducido, por lo tanto no necesita de maduración, habitualmente son policistrónicos. LosRNA ribosomal y de transferencia se forman a partir de transcritos primarios. La maduraciónconsiste en modificaciones tales como rupturas de la cadena y añadidos de nucleótidos (-CCA)en el extremo terminal 3’. Un solo tipo de RNA polimerasa permite transcribir todos los tipos deRNA y es distinta a las observadas en eucariontes.
En eucariontes cada gen eucariota se transcribe separadamente (monocistrónico), con uncontrol transcripcional independiente para cada uno. Las células eucariontes poseen tres tiposdistintos de RNA polimerasas cada una de los cuales es responsanble de la transcripción de losdiferentes tipos de RNA: La RNA polimerasa I transcribe el rRNA (RNA ribosomal) la RNApolimerasa II el pre –mRNA y algunos snRNAy la polimerasa III el tRNA.
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Los distintos RNA transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones noencontradas en procariontes. A medida que transcurre la transcripción, las moléculas de mRNA,llamadas transcritos primarios, son modificadas. Esto ocurre antes de que sean transportadasal citoplasma, que es el sitio donde ocurre la traducción. Las modificaciones son varias e incluyen:
1. Adición del CAP: Un nucleótido modificado (CAP) se añade al extremo 5’ del mensajero.Este “casquete” es imprescindible para la unión del mRNA al ribosoma y protege al mRNA dela degradación.
2. Poliadenilación: En el extremo 3’ del mRNA hay una secuencia señal (AAUAAA) a la que seunen factores específicos y la enzima poli-A polimerasa. Esta enzima estimula la escisión enun sitio ubicado 10 a 35 nucleótidos hacia el extremo 3’ de la señal. Luego, la enzimaagrega, de a uno, una cola de ribonucleótidos de adenina (cola de poli-A) y así se genera elextremo 3’ del mRNA maduro. Esta cola de poli-A, contiene 200-250 nucleótidos y pareceríaque influyen en la estabilidad y en la capacidad de que los mRNA sean traducidos en elcitoplasma.
3. Corte y empalme o splicing: Durante la transcripción, el mRNA sufre un proceso de cortey eliminación de secuencias que no llevan información llamadas intrones, y elposterior empalme de los exones; secuencias que si llevan información, los. En un primerpaso se unen al mRNA inmaduro unas pequeñas partículas de RNA nucleares asociadas conproteínas denominadas snRNP (del inglés, small nuclear ribonucleo-protein particles). LassnRNP se unen a secuencias cortas ubicadas entre los intrones y los exones. Luego seañaden más proteínas y forman un gran complejo con el RNA que se denomina spliceosoma.Además de desempeñar funciones de reconocimiento de esas secuencias, las snRNP llevan acabo funciones catalíticas.
Figura 8. Procesamiento del mRNA en eucariontes.
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El proceso de splicing, catalizado por spliceosomas, ocurre sólo en organismos eucariotas. Lassecuencias que se eliminan son los intrones, mientras que las secuencias que permanecen yforman parte del mRNA maduro son los exones.
En muchos casos, un mismotranscrito primario o pre mRNA(RNA heteronuclear) puede serprocesado por splicing en más deuna forma. Este empalmealternativo permite obtenermoléculas de mRNA madurodiferentes a partir de moléculasde mRNA inmaduro originalmenteidénticas, lo cual da por resultadopolipéptidos con distintasfunciones; un mismo gen puedeproducir una proteína en untejido y otra distinta en otrotejido.
Esto es posible porque algunosgenes producen moléculas depre-mRNA que tienen múltiplespatrones de empalme. Se haobservado que estos pre-mRNApresentan un segmento quepuede ser Intrón o Exón. Esteprocesamiento diferencial del RNAnuclear permite, a las células decada tejido, producir su propiaversión de mRNA correspondienteal gen específico (Figura 9).
Figura 9. Procesamiento diferencial del RNA mensajero.
El investigador Thonas R. Cech y sus colaboradores, en los Estados Unidos, estudiando el splicingdel rRNA en un ciliado de agua dulce llamado Tetrahymena, encontraron que en estos organismosunicelulares eucariontes el propio intrón del rRNA inmaduro actúa como catalizador de la escisióny el empalme, es decir, se produce un empalme autocatalítico. Esta secuencia de RNA se pliegaformando una estructura compleja que funciona como enzima, que se ha denominado ribozima.Se han encontrado otros ejemplos de empalme autocatalítico en varios organismos, en RNAcodificados por genes mitocondriales o de cloroplastos, en algunos genes nucleares de eucariontesunicelulares y en algunos genes de bacteriófagos, pero no en eucariontes multicelulares.
De gran importancia es el hecho que los genes eucariontes poseen en su estructura exones eintrones, situación no observada en procariontes. El número de intrones varía para cada gen, sinembargo, su número aumenta a medida que el organismo es más complejo y de recienteevolución. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinación genética (vía crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolución (de cambio).
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GENES INTERRUMPIDOS POR INTRONES
En las células eucariontes existen secuencias llamadas intrones que interrumpen a losexones. Estos intrones se transcriben a moléculas de ARN, pero se escinden antes de latraducción en proteínas por medio del proceso corte y empalme; los exones en cambiopersisten en ADN maduro. El número y tamaño de los intrones por gen varíaconsiderablemente: por ejemplo el gen que codifica la ovoalbúmina, una proteína muyabundante de los huevos de las aves posee siete intrones largos, mientras el gen parauna de las subunidades de la hemoglobina en mamíferos, la flobina beta tiene sólo dosintrones. A continuación se presenta un trabajo de hibridación de un fragmento de DNAcon su ARN mensajero maduro, que pone en evidencia los siete intrones.
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5. CÓDIGO GENÉTICO
El código genético es el “diccionario” usado para lograr la traducción de la información genética,escrita en lenguaje nucleotídico de cuatro bases nitrogenadas, a un “idioma” aminoacídicoescrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminoácidos que encontramos formandoparte de las proteínas de un ser vivo, están representados en el código genético de la agrupaciónde tres bases nucleotídicas (triplete o codón) de las cuatro existentes. Este código fue “descifrado”por Marshall, Nirenberg, Heinrich Matthaei, Robert Holley y Har Gobind Khorana, 10 añosdespués que James D. Watson y Francis Crick “desentrañaran” el misterio de la estructura delDNA.
Cada triplete constituye un codón; existen en total 64 codones; 61 de ellos codificanaminoácidos y 3 son codones de término para el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de unarelación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo quepueden generarse 64 (43) combinaciones; en cambio la relación de 41 o 42 nucleótidos, nopermitirá generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminoácidos.
El código genético es universal, degenerado(redundante) y no traslapado.
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6. TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTÍDICAS
La síntesis de las cadenas polipeptídicas es la segunda etapa observada en el dogma central, y esel proceso por el cual la información lineal, escrita con cuatro letras (A, U, G, C), se traduce eninformación tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminoácidos). Si bien esta etapa es, en susfundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que seránmencionadas a medida que se avance en el desarrollo del tema.
mRNA, el transportador de la información
El mRNA es la molécula responsable de transportar la información lineal, que debe traducirse ainformación tridimensional (proteínas). En bacterias, el mRNA es traducido, sin mayormodificación, aún cuando su síntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacteriasla transcripción y traducción son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (enel citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripción y traducción sehallan separados, espacial y temporalmente.
Los mRNA se sintetizan fundamentalmente en el núcleo de la célula eucarionte y se combinan condiversas proteínas, formando complejos ribonucleoproteicos heterogéneos nucleares o hnRNP.
Ribosoma, “la fábrica de proteínas”
Microscópicamente, la estructura sub-celular relacionada con la síntesis proteica es un corpúsculodenominado ribosoma (Figura 10). Esta estructura está formada por una sub-unidad menor y unamayor.
La sub-unidad menor presenta el sitio de reconocimiento y unión al mRNA y la sub-unidadmayor posee la enzima que efectúa la unión peptídica (peptidil transferasa) y los sitios para lostRNA, denominados: sitio P (por peptidil), sitio A (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida).
Figura 10. Anatomía de un ribosoma.
Subunidadmayor
Subunidadmenor
Subunidad mayorribosomal
SitioE
SitioP Sitio
A
Sitio de unióndel ARNm
P
Subunidad menordel ribosoma
E P A
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tRNA, el vehículo de los aminoácidos
Los tRNA son las moléculas adaptadoras que permiten traducir el código de nucleótidos aaminoácidos para la síntesis de proteínas. Reconocen tripletes de nucleótidos (codones) por unextremo de su molécula (anticodón) y en el otro extremo (3’) llevan un determinadoaminoácido, que la maquinaria traduccional (el ribosoma) se encarga de unir covalentemente conotros aminoácidos, siguiendo en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA.
Figura 11. Codón y anticodón.
Aminoacil-tRNA sintetasa, una enzima clave.
El aminoácido se une a su correspondiente tRNA por la acción de una enzima llamada aminoacil-tRNA sintetasa.
Cada aminoácido se activa por su aminoacil-tRNA sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimasdistintas para cada aminoácido.
Aminoácido + ATP + tRNA Aminoacil + tRNA + AMP + PPi
Aminoacil + tRNA sintetasa
Algunos investigadores se refieren a esta reacción como la carga del tRNA. La energía usada enla carga del aminoácido a su correspondiente tRNA, queda depositada en la unión química entre elaminoácido y el tRNA. Esta energía será utilizada posteriormente por la actividad de la peptidiltransferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formación del enlace peptídico.
Codón
Anticodón
Aminoácido leucina
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Etapas de la síntesis de cadenas polipeptídicas.
En términos generales, se puede afirmar que la traducción es similar en procariontes yeucariontes, salvo algunas particularidades que los diferencian. En las secciones siguientes seconcentrará la explicación en la maquinaria traductora de la bacteria Escherichia coli. En dichassecciones, se mencionarán las diferencias con el sistema eucarionte.
A) Iniciación.
Es la unión de la subunidad menor a la región del mRNA que contiene el codón de inicio AUG.Posteriormente se une el tRNA iniciador cargado con el residuo N-formilmetionina. Por estemotivo, el primer aminoácido incorporado durante la síntesis de muchas proteínas bacterianas esuna metionina modificada, la N-formilmetionina (Figura 12).
El inicio es algo diferente en los eucariontes, donde el mRNA es reconocido por la subunidadmenor sólo cuando ésta ha unido previamente la molécula de tRNA iniciador cargado con elresiduo aminoacídico metionil, y algunos factores de iniciación eucarióticos.
Figura 12. Formación del complejo de iniciación.
B) Elongación.
El proceso de elongación de la cadena polipeptídica sobre un ribosoma se puede considerar comoun ciclo de tres etapas (Figura 13):
1) El tRNA cargado que se introduce en el sitio A, vacío, quedará cerca de la N-fornilmetionil-tfMetRNA, que está localizada en el sitio P.
2) Formación del primer enlace peptídico cuando la N-formilmetionina del tRNA iniciador se uneal residuo aminoacídico unido al segundo tRNA ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplazatres nucleótidos en dirección del extremo 3´ del mRNA, quedando libre un nuevo sitio A.
3) Los procesos citados se repiten de forma sucesiva codón tras codón. Se calcula que se agregana la cadena, en promedio, cinco aminoácidos por segundo, deteniéndose la incorporacióncuando al sitio A llega a alguno de los codones de término.
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Figura 13. Elongación de la cadena polipeptídica.
C) Terminación.
En esta etapa, el sitio A del ribosoma es abordado por alguno de los codones de término yocupado por un factor de terminación, RF en las bacterias y eRF (eucaryotic releasing factor) eneucariontes. La cadena polipeptídica terminada se libera del último tRNA. Se disocian las sub-unidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para serutilizados en una nueva síntesis (Figura 14).
Figura 14. Terminación de la traducción.
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Traducción y Polirribosomas
Tanto en las células procariontes y eucariontes las moléculas de mRNA se traducen por laacción de múltiples ribosomas, las estructura resultante –un mRNA con varios ribosomas -sedenomina polirribosa o polisoma.Cada ribosoma se une sucesivamente al sitio que uneribosomas en el extremo 5’ del mensajero y se mueve hacia el extremo 3’; el polipéptidoasociado con cada ribosoma progresivamente se torna mas largo a medida que el ribosomase mueve sobre el mRNA.
En las células procariontes la transcripción y traducción son simultáneas; por tanto, puedenunirse múltiples ribosomas al extremo 5’ del mRNA, mientras que la transcripción aun esta enproceso en el extremo 3’.
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7. MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES
Las mutaciones en los organismos unicelulares se transmiten necesariamente a la descendencia.En los organismos pluricelulares sólo se transmite a la descendencia una mutación si esta ocurreen las células germinales, es decir, aquellas que darán lugar a gametos.
En las mutaciones génicas se afecta la secuencia de pares de bases de un gen, estas mutacionespueden ser consecuencia de: sustituciones, adiciones o deleciones.
Sustituciones: se cambia una base por otra, según sea el problema causado, se clasificancomo: neutras, con sentido erróneo y sin sentido.
Neutras: al cambiar la base, cambia el triplete pero codifica el mismo aminoácido
Con sentido erróneo: al cambiar una base cambia el triplete y este codifica otro aminoácido.
Sin sentido: aparece un triplete de término que pone fin a la síntesis de la proteína por adelantado.
Tipo de Sustituciones
Mensaje original
ADN 3’ TAC TCA AAC ACG ATAARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU
Proteína met ser leu cys tyr
Sustitución neutra
ADN 3’ TAC TCA GAC ACG ATAARN 5’ AUG AGU CUG UGC UAU
Proteína met ser leu cys tyr
Con sentido erróneo
ADN 3’ TAC TCA AGC ACG ATAARN 5’ AUG AGU UCG UGC UAU
Proteína met ser ser cys tyr
Sin sentido
ADN 3’ TAC TCA ATC ACG ATAARN 5’ AUG AGU UAG UGC UAU
Proteína met ser Stop
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Deleción y Adición de bases: En estos tipos de mutaciones puntuales se corre el marco delectura de los tripletes del ARNm, y aparecen proteínas muy distintas .En la deleción se pierdeun par de bases del DNA indicándose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente ala base de la hebra molde y en la adición se incorpora un par de bases en el ADN, tambiénindicándose en el esquema con una flecha la base que se adicionó en la hebra molde.
DELECCIÓNMensaje original
ADN 3’ TAC TCA AAC ACG ATAARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU
Proteína met ser leu cys tyr
ADN 3’ TAC TCA AACA CGA TA...
ARN 5’ AUG AGU UUU GCU AUProteína met ser phe ala
ADICIÓN
Mensaje original
ADN 3’ TAC TCA AAC ACG ATAARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU
Proteína met ser leu cys tyr
ADN 3’ TAC TCA CAA CAC GAT …..AARN 5’ AUG AGU GUU GUG CUA…..U
Proteína met ser val val leu
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8. BIOTECNOLOGÍA
La ingeniería genética es una técnica que manipula genes se puede alterar o introducir genes enel genoma de un ser vivo que carece de ellos. Como por ejemplo en las plantas se intentan crearvariedades más resistentes al clima o a las plagas, con mayor poder nutritivo o de mayor tamaño.En los animales se pueden obtener variedades ganaderas de mayor rendimiento o de más rápidocrecimiento. En humanos se intentan curar determinadas enfermedades genéticas (terapiagénica), obtener sustancias útiles para la salud como la insulina, factores de coagulación oalgunos tipos de vacunas producidas por bacterias. También se utilizan microorganismos paradegradar determinados contaminantes como metales y plásticos, pero… ¿Cómo se logra todoesto?
Para extraer un gen de interés de una molécula de DNA e insertarlo en otra se requiere cortar yunir con precisión, la herramienta de corte son enzimas bacterianas llamadas enzimas derestricción, las cuales cortan el ADN en puntos concretos y así separan los segmentos de ADNque interesan y con la tecnología del ADN recombinante, se intercalan los segmentos de ADNextraño en un ADN receptor.
En la actualidad se puede aislar un gen determinado mediante enzimas de restricción el quemediante un vector que puede ser un plásmido o un virus, se introduce en bacterias las que alreproducirse, van aumentando el número de copias de ese gen, proceso conocido comoclonación del ADN.
A los organismos eucarióticos desarrollados a partir de una célula en la que se han introducidogenes extraños se les denominan organismos transgénicos.
En el siguiente esquema se puede observar unas cuantas aplicaciones de bacterias genéticamentemanipuladas. En los ejemplos de la parte izquierda, en las copias del mismo gen están losproductos deseables. En el lado derecho, la proteína producto del gen se obtiene de la bacteria.
Iniciando con el extremo superior izquierdo, observamos que primero un plásmido se aísla deuna bacteria. Mientras tanto (extremo superior derecho), a partir de otra célula se obtiene elADN que transporta un gen de interés, quizás una célula animal (como en este ejemplo), unacélula vegetal u otra bacteria. El gen de interés podría ser un gen humano que codificara para unaproteína con valor médico o un gen vegetal que diese resistencia contra los insectos dañinos. Una pieza de ADN que contiene el gen se inserta al plásmido, produciendo el ADN recombinante, y una célula bacteriana incorpora el plásmido mediante la transformación. Esta bacteriagenéticamente manipulada, se clona posteriormente (se le permite reproducirse), a fin de generarmuchas copias del gen.
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Proteína que seutiliza para simularnieve a una mayortemperatura
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GLOSARIO
Codón (triplete): Secuencia de tres nucleótidos en el mRNA que codifica para un aminoácido.
Expresión génica: Proceso por el cual la información codificada en los genes se convierte en las estructurasoperacionales presentes en las células. Los genes expresados incluyen a aquellos que han sido transcritos amRNA y luego traducidos a proteínas y aquellos que han sido transcritos a RNA pero no traducidos aproteínas (p.ej. tRNA y rRNA).
Exón: Porción de una molécula de DNA en eucariontes que codifica parte de un polipéptido.
Genes: Unidades hereditarias que conforman los cromosomas. Estos segmentos específicos de DNAcontrolan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases deDNA que usualmente codifican para una secuencia polipeptídica de aminoácidos.
Inserción: Tipo de mutación en la cual se intercalan una o más bases de DNA en una secuencia de bases deDNA preexistente. Esto produce un corrimiento del marco de lectura en el proceso de síntesis proteicadando, por lo general, como resultado una proteína alterada.
Intrón: La secuencia de bases de DNA en eucariontes que interrumpe la secuencia de un gen que codificapara una proteína, esta secuencia se transcribe al mRNA pero en un proceso de "corte y empalme" se separadel mismo antes que el mRNA sea traducido a proteína.
Mutación: El cambio de un gen de una forma alélica a otra, cambio que resulta heredable. Modificaciónhereditaria del material genético espontánea o inducida.
Mutágeno: Agente desencadenante de mutaciones.
Polimerasa (DNA o RNA): Enzimas que catalizan la síntesis de ácidos nucleicos en base a templadospreexistentes, utilizando ribonucleótidos para el RNA y desoxirribonucleótidos para el DNA.
Promotor: Sitio del DNA donde se unirá la RNA polimerasa para iniciar la transcripción.
RNA (ácido ribonucleico): Ácido nucleico formado por una cadena polinucleotídica. Su nucleótido, consisteen una molécula del azúcar ribosa, un grupo fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina,uracilo, citosina y guanina.
RNA mensajero: "Molde" para la síntesis proteica que es copiado de una de las hebras de DNA y que setraduce en los ribosomas en una secuencia proteica. Se abrevia mRNA.
RNA polimerasa: Complejo enzimático que cataliza la síntesis de RNA (transcripción) utilizando como moldela cadena de una molécula de DNA. En eucariontes existen tres RNA polimerasas: la I sintetiza rRNA de grantamaño; la II es la que forma al mRNA; y la III se encarga de transcribir rRNA pequeños y tRNA.
Secuencia de bases: el orden de las bases de los nucleótidos en una molécula de DNA.
Traducción: La síntesis de una proteína sobre un "molde" de mRNA, consiste en tres etapas: iniciación,elongación y terminación.
Transcripción: síntesis de RNA.
Preguntas de selección múltiple
1. Se realiza el proceso de traducción en una célula eucariótica en el interior de
I) núcleo.II) cloroplasto.
III) mitocondrias.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo II y III.
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2. Se encuentran dos genes diferentes, uno en la secuencia de la hebra molde 5´ATG CAT GCA TGC 3´ y elotro en la hebra codificadora o complementaria a esta misma secuencia. ¿Cuáles serían los transcritosprimarios (RNA) formados respectivamente?
I) 5 ́AUG CAU GCA UGC 3´II) 5 ́UAC GUA CGU ACG 3´III) 3 ́UAC GUA CGU ACG 5´
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo I y III.
3. Si el codón del RNA mensajero es: 5’ A U G 3’, el anticodón que le corresponde es
A) 5’ U A C 3’B) 5’ T A C 3’C) 3’ U A C 5’D) 3’ C A U 5’E) 3’ A U C 5’
4. Se corre el marco de lectura de los tripletes del ARN en la mutaciones génicas o puntuales del tipo
I) adición.II) delección.
III) sustitución.
Es (son) correcta(s)
A) sólo I.B) sólo II.C) sólo III.D) sólo I y II.E) sólo II y III.
5. En células eucariontes el ARN maduro a diferencia del transcrito primario presenta
I) solamente intrones.II) cola de poli-A en el extremo 3`
III) capuchón CAP en el extremo 5`A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo II y III.E) I, II y III.
6. La molécula directamente responsable de traducir el mensaje nucleotídico del RNAm en un lenguajeaminoacídico corresponde a el (las)
A) enzimas.B) proteínas.C) DNA nucleolar.D) RNA ribosomal.E) RNA de transferencia.
7. Complete correctamente la siguiente idea: " La...................... de nucleótidos del DNA determina lasecuencia lineal de....................... de las proteínas, de modo que los genes determinan la forma yfunción de las proteínas, las que a su vez son responsables del................. del individuo.
A) Cadena; aminoácidos; metabolismo.B) Secuencia; aminoácidos; fenotipoC) Composición; monómeros; fenotipo.D) Secuencia; estructuras; metabolismo.E) Cadena; aminoácidos; genotipo.
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8. Si el DNA contiene la información para la síntesis de proteínas, entonces, el responsable directo de lasíntesis de los carbohidratos y lípidos que existen en la materia viva corresponde a el (las)
A) enzimas.B) ribosomas.C) nucleosomas.D) ácidos ribonucleicos.E) retículo endoplasmático.
9. Si el código genético estuviese especificado por codones constituidos por secuencias de dos nucleótidos,¿cuántos aminoácidos, como máximo, podrían ser especificados en tal lenguaje genético?
A) 64 aminoácidos.B) 61 aminoácidos.C) 20 aminoácidos.D) 16 aminoácidosE) 4 aminoácidos.
10. El siguiente esquema muestra etapas de la transcripción del DNA. Se señala la hebra molde (nocodificante) de DNA que es transcrita por la enzima RNA polimerasa. El orden correcto para esteproceso es
A) A,B,C,DB) C,D,A,BC) B,A,D,CD) B,A,C,DE) C,D,B,A
11. Usted es un ingeniero genético con estudios de etología molecular y en un trabajo de investigaciónmicroinyectó RNA de secuencia 5´ UUU UUU UUU UUU 3´ en células bacterianas de Listeriamonocytogenes y se formo un polipéptido con una secuencia de un aminoácido único y en células deroble chileno (Nothofagus oblicua) se formó otro polipéptido también con una secuencia de aminoácidosúnica, pero totalmente diferente al anterior. La propiedad del código genético que podría sercuestionada con este hipotético resultado experimental sería su
A) continuidad.B) ambigüedad.C) degeneración.D) universalidad.E) no sobreposición.
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12. La resistencia inicial que manifestaron los científicos para adjudicar a la molécula DNA la responsabilidadde almacenar la información genética de los seres vivos se debía a que
I) estaba constituida tan sólo por 4 bases distintas, a diferencia de las proteínas que al estarconstituidas por 20 aminoácidos distintos, las hacía ser muchísimo mejores candidataspara dicha tarea.
II) no era suficientemente convincente que la muestra purificada de DNA utilizada en elexperimento de Avery, estuviese libre de proteínas.
III) la estructura de doble hélice del DNA ya había sido descrita como estructura propia de lasproteínas.
Son afirmaciones correctas
A) sólo I.B) sólo II.C) sólo III.D) sólo I y II.E) I, II y III.
13. Se estudió la expresión de un gen bacteriano que codifica para una enzima oxidativa. Se determino lacantidad de RNA mensajero sintetizado a diferentes condiciones de temperatura y de disponibilidad deoxígeno, según se muestra en el gráfico.
A partir de estos resultados, se puede concluir correctamente que
I) el aumento de la temperatura estimula la transcripción del gen bacteriano.II) la presencia de oxigeno tiende a inhibir la expresión del gen bacteriano.
III) a una misma temperatura la cantidad de RNAm sintetizado es mayor en ausencia que enpresencia de oxígeno.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) I, II y III.
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Las preguntas 14 y 15 se refieren al siguiente esquema:
14. El siguiente ribonucleótido que debe incorporar la RNA polimerasa en el extremo 3` es el de
A) timina.B) uracilo.C) adenina.D) citosina.E) guanina.
15. Sobre el proceso de transcripción que se presenta, es correcto afirmar que lo señalado con el número
A) 1 corresponde a las hebras que se están enrollando.B) 2 corresponde a la hebra molde o templado.C) 3 corresponde a las hebras que se están desenrollando.D) 4 corresponde al transcrito primario.E) 5 corresponde a la hebra codificadora.
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