al final del documento de apoyo de la unidad numero 3, se encuentra dos actividades, realizar el cuestionario de la actividad n. 2
UNIDAD DE APRENDIZAJE Nº 3 GENÉTICA MOLECULAR
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Replicación del material genético Naturaleza del gen Un gen una proteína Relación entre genes y proteínas Síntesis de proteínas: Código genético Transcripción Traducción: Iniciación, Elongación, Terminación utaciones
DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN DEL ADN !a "ida de los seres "i"os es muy "aria#le, por tanto para $ue esta no se e%tinga &a de &a#er un momento en se reproduzcan, lo cual lle"a implícito la 'ormación de copias del ()N del progenitor o progenitores* Se dieron muc&as &ipótesis so#re como se duplica#a el ()N &asta $ue +atson y Cric propusieron la l a &ipótesis semiconser"ati"a -posteriormente demostrada por eselson . Sta&l en /0123, seg4n la cual, las nue"as moléculas de ()N 'ormadas a partir de otra antigua, tienen una &e#ra antigua y otra nue"a* (un$ue los principios generales de la duplicación o replicación del ()N son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso re$uiere una ma$uinaria comple5a $ue contiene una gran cantidad de enzimas y proteínas $ue act4an en con5unto*
6 !a duplicación del ()N se produce pre"io desenrollamiento de las dos cadenas de la do#le &élice, usando cada una como molde para sintetizar las nue"as cadenas* /.
MÚLTIPLES PUNTOS DE ORIGEN
!os cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ()N, el cual se &alla cont co nten enid idoo en do doss mo molé lécu culas las liline neal ales es,, una par paraa ca cada da cr crom om7t 7tid ide* e* Si es esta tass moléculas se replicasen a partir de un sitio 4nico de origen, la etapa 8S9 de la Inter'ase sería e%tremadamente larga* !as células eucariontes resuel"en este pro#lema disponiendo de m4ltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma* En ellos, el ()N presenta secuencias especiales de nucleótidos* (dem (d em7s 7s to todo doss lo loss or oríg ígen enes es ti tien enen en en co com4 m4nn se secu cuen enci cias as co cons nser er"a "ada dass de apro ap ro%im %imad adam amen ente te do doce ce pa pare ress de nu nucl cleó eóti tido dos, s, lla llama mado doss (R (RS S -a -aut uton onom omus us replication secuence3*
DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN DEL ADN !a "ida de los seres "i"os es muy "aria#le, por tanto para $ue esta no se e%tinga &a de &a#er un momento en se reproduzcan, lo cual lle"a implícito la 'ormación de copias del ()N del progenitor o progenitores* Se dieron muc&as &ipótesis so#re como se duplica#a el ()N &asta $ue +atson y Cric propusieron la l a &ipótesis semiconser"ati"a -posteriormente demostrada por eselson . Sta&l en /0123, seg4n la cual, las nue"as moléculas de ()N 'ormadas a partir de otra antigua, tienen una &e#ra antigua y otra nue"a* (un$ue los principios generales de la duplicación o replicación del ()N son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso re$uiere una ma$uinaria comple5a $ue contiene una gran cantidad de enzimas y proteínas $ue act4an en con5unto*
6 !a duplicación del ()N se produce pre"io desenrollamiento de las dos cadenas de la do#le &élice, usando cada una como molde para sintetizar las nue"as cadenas* /.
MÚLTIPLES PUNTOS DE ORIGEN
!os cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ()N, el cual se &alla cont co nten enid idoo en do doss mo molé lécu culas las liline neal ales es,, una par paraa ca cada da cr crom om7t 7tid ide* e* Si es esta tass moléculas se replicasen a partir de un sitio 4nico de origen, la etapa 8S9 de la Inter'ase sería e%tremadamente larga* !as células eucariontes resuel"en este pro#lema disponiendo de m4ltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma* En ellos, el ()N presenta secuencias especiales de nucleótidos* (dem (d em7s 7s to todo doss lo loss or oríg ígen enes es ti tien enen en en co com4 m4nn se secu cuen enci cias as co cons nser er"a "ada dass de apro ap ro%im %imad adam amen ente te do doce ce pa pare ress de nu nucl cleó eóti tido dos, s, lla llama mado doss (R (RS S -a -aut uton onom omus us replication secuence3*
!a replicación siempre comienza en los sitios de origen en cada cromosoma* En ellos el ()N presenta secuencias especiales de nucleótidos
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DESENROLLAMIENTO DE LAS CADENAS DE ADN
En cada cromosoma, las dos cadenas del ()N se encuentran arrolladas una a la otra como los &ilos de una soga* Si tratamos de separarlas, la soga de#e apretarse m7s en las "ueltas restantes o girar* (lgo similar ocurre en el ()N, cuando las cadenas complementarias se separan para iniciar la duplicación* En ese momento aumenta la tensión torsional en el sector no duplicado de la do#le &élice*
El des desenr enroll ollami amient entoo es re reali alizad zadoo por las enz enzima imass ADN-helicaa ADN-helicaa,, las cuales recorren la &élice desenrollando las &e#ras del ()N a medida $ue a"anzan* Una "ezz se "e separ parad adas, as, las ca cade dena nass se co com# m#ina inann co conn la lass !"#$e%&a SS', SS', llamadas tam#ié tam #iénn pro proteí teínas nas (ee$a)ili*a(#"a (ee$a)ili*a(#"a,, $ue e"itan el autoapareamiento entre las #ases complementarias li#remente e%puestas*
Ca(e&a a(ela&$a(a + "e$"aa(a (el ADN (,"a&$e la "e!licaci& "e!licaci&** !a &elicasa separa a las dos cadenas del ()N y las proteínas SS; e"itan autoapareamientos entre las #ases complementarias li#remente e%puestas en la cadena atrasada* ( me medi didda $u $uee la enz nzim imaa &e &elilica casa sa a# a#rre la do do##le &é &éllic ice, e, dos enz nzim imas as comple com pleme mentar ntarias ias:: la $#!#i#e"aa I I y la $#!#i#e"aa II o /i /i"a "aa a00 "an disminuyendo la tensión torsional acumulada por el superenrollamiento en el sector no replicado de la do#le &élice* La $#!#i#e"aa I primero I primero corta una de las cadenas del ()N, luego la cadena cortada gira una "uelta en torno a su propio e5e y 'inalmente "uel"e a unir los e%tremos cortados* La $#!#i# $#!#i#e" e"aa aa II corta las dos cadenas, las cuales luego de girar una "uelta alrededor del e5e de la do#le &élice, resta#lecen sus uniones* (m#ass en (m#a enzi zima mass ut utililiz izan an en ener ergí gíaa de dell (T (T<< y se co comp mpor orta tann co como mo &,cleaa -cor -c orta tand ndoo la lass ca cade dena nass de () ()N3 N3 y lu lueg egoo co como mo li/aa -rest -resta#lec a#leciendo iendo las uniones 'os'odiéster3* !as topoisomerasas I y II se di'erencian no sólo por$ue la primera corta una de las cadenas y la segunda corta las dos, sino tam#ién por$ue la topoisomerasa I realiza desenrollamientos de corto alcance y la girasa a#arca una e%tensión de ()N #astante mayor*
E'ecto &ipotético de la topoisomerasa II para e"itar el superenrollamiento $ue se produce en el ()N como consecuencia de la separación progresi"a de sus cadenas 3.
LA DUPLICACIÓN DEL ADN ES 'IDIRECCIONAL
(l a#rirse la do#le &élice se 'orma una 8#ur#u5a9 de replicación, cuyo tama=o aumenta a medida $ue a"anza la separación de las dos cadenas del ()N, 'enómeno $ue se produce en am#os e%tremos de la #ur#u5a en 'orma simult7nea* Se esta#lece de este modo, en cada uno de los e%tremos, una estructura en 'orma de 1, a la $ue llamamos h#"2,illa (e "e!licaci&, cuyos #razos representan a las cadenas ya separadas de ()N y el tronco la do#le &élice en "ías de separación* (sí cada #ur#u5a tiene dos &or$uillas de replicación $ue a partir de un punto de origen com4n a"anzan en direcciones opuestas* !as &or$uillas desaparecen cuando se "an integrando a las #ur#u5as contiguas* !as &or$uillas $ue recorren los telómeros desaparecen cuando se separa el 4ltimo par de nucleótidos* El segmento de ()N $ue se sintetiza a partir de un origen de replicación -con sus dos &or$uillas3, lo llamamos "e!lic&. )e este modo la replicación del ()N termina cuando se ensam#lan los sucesi"os replicones* Esto permite $ue el ()N se sintetice en un tiempo #astante #re"e para el ciclo de "ida de una célula*
Es$uema $ue muestra dos replicones contiguos y los puntos donde se origina la replicación -'lec&as3*
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LA SNTESIS DE ADN ES DISCONTINUA
Una de las características de las ()N6polimerasas es $ue sólo pueden actuar en dirección 1? @?, por agregado de nucleótidos en el e%tremo @? de las cadenas nue"as* Como "imos, a medida $ue se separan las cadenas progenitoras en la &or$uilla de replicación, una presenta sus nucleótidos en dirección 1? @? y la otra en dirección @? 1?* )e manera $ue la primera al ser copiada de#ería 'ormar una cadena &i5a en sentido @? 1?, algo $ue las polimerasas no pueden &acer* !as células solucionan esta situación utilizando estrategias distintas en la construcción de cada una de las nue"as cadenas* !a cadena &i5a $ue se 'ormó en dirección 1A @? se construye en 'orma continua mediante el agregado de nucleótidos en el e%tremo @? a medida $ue a"anza la &or$uilla de replicación* En cam#io la otra cadena &i5a es sintetizada de manera discontinua, en pe$ue=os tramos, llamados 4"a/e&$# (e O5a*a5i, los cuales se unen entre sí a medida $ue se sintetizan, por acción de la enzima ADN-li/aa.
1*
MODELO SEMICONSER6ATI6O
Como las nue"as &élices de ()N est7n 'ormadas por una cadena original -pree%istente3 $ue sir"ió de molde y una cadena nue"a -recién sintetizada3 decimos $ue el mecanismo de replicación es semiconser"ati"o* INICIB )E !( SNTESIS )E ()N
)o#le &élice de ()N desenrroll7ndose* Cada cadena ser"ir7 de molde para la síntesis de cadenas nue"as
!os 'ragmentos de Bazai alcanzan una longitud de FF nucleótidos* Una "ez completa la síntesis de un 'ragmento am#as enzimas se li#eran y "uel"en 5untas &acia el 7ngulo de la &or$uilla de replicación, de5ando atr7s los FF nucleótidos del segmento $ue aca#an de sintetizar y otros tantos del ()N molde $ue se usar7 para copiar el pró%imo 'ragmento de Bazai* Como ocurre con la polimerasa d en mo"imiento, la ()N6polimerasa a no se desprende del ()N de#ido a $ue se le asocia un aro de
Replicación de la &eterocromatina !a &eterocromatina por estar muy compactada se replica tardíamente durante la 'ase 8S9 del ciclo celular* Síntesis de &istonas Hemos se=alado $ue el ()N se replica en 'orma semiconser"ati"a, es decir $ue las cadenas de la do#le &élice progenitora, al separarse para su replicación, se comparten por igual en am#os cromosomas &i5os* En cam#io no se sa#e como se segregan las &istonas* Es posi#le $ue al ca#o de la replicación sean &eredadas totalmente por uno de los cromosomas &i5os, en este caso el otro cromosoma &i5o de#e procurarse de la totalidad de &istonas nue"as* En su mayor parte las &istonas se sintetizan durante la 'ase 8S9 de la inter'ase y se incorporan al cromosoma apenas es duplicado el ()N Re!licaci& e& P"#ca"i#&$e uc&as de las características esenciales de la duplicación del ()N son uni"ersales, aun$ue e%isten algunas di'erencias entre procariontes y eucariontes de#ido a $ue su material genético est7 organizado de manera distinta* En las #acterias casi todo el ()N se encuentra 'ormando una cadena circular, en cam#io en los eucariontes cada cromosoma no duplicado contiene una cadena lineal asociada a una gran cantidad de proteínas y algo de (RN* En procariontes al e%istir un 7&ic# !,&$# (e #"i/e& se 'orma sólo un o5al de replicación* ($uí act4an tres ()N6polimerasas: ADN-!#lie"aa I, es la $ue elimina el ce#ador y reemplaza los ri#onucleótidos de éste por deso%irri#onucleótidos, rellenando los &uecos de5ados por la ()N6polimerasa II* (diciona /F nucleótidosseg*
ADN-!#lie"aa II, tiene acti"idad de nucleasa, es decir $ue retira nucleótidos de la cadena de ()N en los sitios donde se produ5eron errores o desempare5amientos* ADN-!#lie"aa III0 es la enzima responsa#le de alargar las cadenas en el proceso de replicación* (diciona 1FF nucleótidosseg*
ecanismo de replicación del ()N en células procariontes
ecanismo de replicación en procariotas
Cuadro /*/ 6 J!TI
@?
1?
Síntesis de ()N en sentido 1? E%onucleasa en sentido @?
Corrección de errores, remo"iendo nucleótidos en sentido 1? @?
@?
E%onucleasa en sentido 1?
Cuadro /* 6
Reacciones $ue catalizan
()N6polimerasa I -procariontes3
Elimina el ce#ador, reemplazando los ri#onucleótidos por deso%irri#onucleótidos* Rellena los &uecos del ()N*
()N6polimerasa II -procariontes3
Nucleasa, corrige errores*
()N6polimerasa III -procariontes3
()N6polimerasa -eucariontes
Sintetiza los 'ragmentos de ()N discontinuos a partir del ce#ador*
()N6polimerasa -eucariontes3
Rellena los &uecos de5ados por el ce#ador y repara errores como un segundo sistema de reparación*
()N6polimerasa -eucariontes3
Sintetiza la &e#ra continua a partir del ce#ador y realiza lecturas de prue#a*
Helicasas
Rompen los puentes de &idrógeno, separando las cadenas del ()N*
Sintetizan el primer o ce#ador*
Se e%tienden so#re las &e#ras del ()N e"itando autoapareamientos entre las #ases li#remente e%puestas
Topoisomerasas I y II
Corrigen el superenrollamiento
NATURALEZA MOLECULAR DEL GEN 1 DEL GENOMA
Hacia 'inales del siglo I, los #iólogos &a#ían reconocido ya $ue los transportadores de la in'ormación &ereditaria eran los cromosomas $ue resultan "isi#les en el n4cleo cuando una célula comienza a di"idirse*
E%isten di"ersos tipos de (RN: el (RNm -mensa5ero3, el (RNr -ri#osómico3, el (RNt -de trans'erencia3 y los (RN pe$ue=os* )e todos ellos, tan sólo el (RNm es portador de in'ormación acerca de la secuencia aminoacídica de una proteínaQ sin em#argo todos ellos son transcriptos de ()N*
Glu5o de in'ormación genética
O)e $ué manera la estructura de una molécula de (RNm lle"a implícita la in'ormación para construir una proteínaP !a in'ormación reside en la secuencia de #ases y est7 8escrita9 en un código propio al $ue llamamos c(i/# /e&9$ic#.
uc&as de las características del código genético 'ueron anticipadas en 'orma teórica a partir del descu#rimiento del (RNm* #ases $ue 'orman las cadenas de (RN -(, U, C, D3Q las pala#ras son siempre agrupaciones de @ letras o $"i!le$e (e )ae, llamadas c#(#&e en la molécula del (RNm, y los o#5etos designados por dic&as pala#ras son cada uno de los F amino7cidos $ue componen las proteínas* O pala#ras, y si se 'ormara con , las pala#ras posi#les serían /* En ninguno de los casos alcanzarían para designar a todos los amino7cidos* com#inaciones di'erentes si las #ases se com#inan de a @Q > codones son m7s $ue su'icientes para nom#rar a los F amino7cidos* OCu7l es la 'unción de los >> codones restantesP (sí como en cada idioma e%isten pala#ras distintas con un mismo signi'icado, el código genético emplea codones di'erentes para nom#rar a un mismo amino7cido* !a mayoría de los amino7cidos est7n codi'icados por m7s de / codón: e%isten c#(#&e i&&i#. !a presencia de codones sinónimos en el código genético &a#la de una (e/e&e"aci&0 característica $ue, le5os de resultar des"enta5osa, reporta a las células sus #ene'icios* !os codones sinónimos son muy similares entre sí, por lo tanto la sustitución de una sola #ase en un codón 'recuentemente da por resultado otro codón $ue especi'ica al mismo amino7cido*
del código es el ()N mitocondrial, en el cual algunos codones son leídos de manera di'erente* SEDUN)( !ETR( U
C
UUU 'enilalanina UCU serina
(
U(U tirosina
D UDU cisteína
TERCER( U !ETR(
UDC UUC UCC serina C U(C tirosina cisteína U 'enilalanina UC( serina ( U(( stop UD( stop UU( leucina UCD serina D U(D stop UDD UUD leucina triptó'ano
CUU leucina CCU prolina
C(U &istidina
CDU arginina
U
C(C CDC arginina CUC leucina CCC prolina &istidina C C CD( CU( leucina CC( prolina C(( arginina ( glutamina CUD leucina CCD prolina D CDD C(D arginina glutamina (UU isoleucina
(
(UC isoleucina (U( isoleucina (UD metionina
(CU treonina
((U (DU serina asparagina (CC (DC serina treonina ((C (D( asparagina (C( arginina treonina ((( lisina (DD (CD ((D lisina arginina treonina
D DUU "alina DCU alanina
D(U
U C ( D
DDU glicina U
aspartato D(C DDC glicina aspartato DUC "alina DCC alanina C DD( glicina D(( DU( "alina DC( alanina ( glutamato DDD glicina DUD "alina DCD alanina D D(D glutamato T(;!( Código genético
EL MARCO DE LECTURA O)e $ué manera se leen los codones durante la síntesis proteicaP Consideremos la siguiente secuencia de #ases de un (RNm: 1?66666DUUCCC(U(6666@? Si comenzamos la lectura en la D situada &acia el e%tremo 1?, este mensa5e podría ser traducido como una secuencia de tres amino7cidos -las pala#ras del código se leen de corrido, sin ning4n 8signo de puntuación9 entre ellas3: alina 6 prolina 6 isoleucina OCu7l sería la traducción del mensa5e si en cam#io la lectura se iniciara en la primera U desde el e%tremo 1?P 'enilalanina 6 prolina Con este simple e5emplo resulta e"idente $ue el sitio de inicio de la traducción es de importancia capital para la correcta traducción del mensa5e* OLué determina $ue la lectura comience en el sitio correctoP !os (RNm portan un codón, el (UD -codi'ica metionina3, $ue es interpretado por los ri#osomas como codón de iniciación* Este codón da el a"c# # c,a("# (e lec$,"a $ue ser7 empleado de allí en m7s* En adelante, el ri#osoma se desplazar7 a lo largo del (RNm en #lo$ues consecuti"os de tres #ases, garantizando la lectura de los codones apropiados*
!as mutaciones $ue implican ganancia o pérdida de un nucleótido resultan m7s destructi"as $ue las sustituciones, pues al modi'icar el marco de lectura, alteran por completo el mensa5e*
Solapamiento del código
Ca"ac$e"%$ica (el C(i/# Ge&9$ic# •
El código genético consta de > codones o tripletes de #ases*/ codones codi'ican amino7cidos*
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@ codones 'uncionan como se=ales de terminación*
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El código no es am#iguo, pues cada codón especi'ica a un solo amino7cido*
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El código es degenerado, ya $ue un amino7cido puede estar codi'icado por di'erentes codones* Es uni"ersal, de#ido a $ue sus mensa5es son interpretados de la misma 'orma por todos los organismos* Utiliza un marco de lectura esta#lecido al inicio de la traducción y no lo modi'ica* No se produce solapamiento de codones*
EL PROCESO DE LA TRANSCRIPCIÓN !a transcripción consiste en la síntesis de (RN a partir de un molde de ()N*
( continuación realizaremos una descripción general del proceso de transcripción tomando en cuenta los aspectos comunes a la síntesis de los distintos tipos de (RN* !a transcripción, tanto en células procariotas como eucariotas, in"olucra la participación de una enzima ARN !#lie"aa ADN (e!e&(ie&$e. sta sintetiza una cadena de (RN cuyos inicio, terminación y secuencia de #ases "ienen determinados por el propio gen* El primer paso de la transcripción es la unión de la enzima (RN polimerasa a una región del gen llamada !"##$#"* El promotor es una secuencia especí'ica de #ases con alta a'inidad por la enzima, por lo $ue proporciona a la misma su sitio de unión al ()N* Es asimismo una se=al $ue indica cu7l cadena se &a de transcri#ir* !a transcripción es asimétrica, pues usualmente sólo se transcri#e una de las dos cadenas $ue 'orman cada gen* !a cadena $ue act4a como plantilla es la cadena molde, negati"a o no codi'icanteQ la &e#ra no transcripta, complementaria de la anterior, se denomina antimolde, positi"a o codi'icante* !a (RN polimerasa se desplaza so#re la cadena molde, recorriéndola en dirección @? V 1? o 8río a#a5o9 y transcri#iéndola a partir del nucleótido $ue el promotor se=ala como !,&$# (e i&ici# (e la $"a&c"i!ci& * Este nucleótido se nom#ra W/ y los siguientes, río a#a5o, siguen la numeración correlati"a -W, W@, etc*3*
;ur#u5a de transcripción
Cuando el molde ya &a sido desapareado en la #ur#u5a de transcripción y e%pone sus #ases, éstas son reconocidas por la (RN polimerasa* ( medida $ue la enzima 8lee9 la plantilla, coloca 5unto a cada #ase de la misma el ri#onucleótido tri'os'ato portador de la #ase complementaria* ( los deso%irri#onucleótidos de (, T, C y D se le aparean, respecti"amente, los ri#onucleótidos de U -recordemos $ue el (RN no contiene T3, (, D y C mediante puentes de &idrógeno* Una "ez u#icados los dos primeros ri#onucleótidos, la enzima cataliza la 'ormación del puente 'os'odiéster entre am#os, inici7ndose la cadena de (RN*
)irección de la transcripción El enlace 'os'odiéster se produce entre el &idro%ilo en posición @? del primer nucleótido y el grupo 'os'ato interno, en posición 1?, del segundo* Un grupo piro'os'ato de este 4ltimo es li#erado como producto y escindido r7pidamente en dos 'os'atos por la acción de una piro'os'atasa* )ic&a ruptura es tan e%ergónica $ue la reacción in"ersa se torna pr7cticamente imposi#le* (sí, desde el punto de "ista termodin7mico, se 'a"orece la síntesis de la nue"a cadena*
Incorporación de ri#onucleótidos en el e%tremo @A de (RN Este procedimiento se repite tantas "eces como nucleótidos contenga el molde, de tal manera $ue el (RN "a creciendo en 'orma antiparalela a a$uél, es decir, desde su e%tremo 1? -el $ue $uedó li#re en el primer nucleótido3 &asta su e%tremo @? -$ue $uedar7 li#re en el 4ltimo nucleótido a=adido3* !a dirección de la síntesis del (RN es 1Y V @Y* Siempre los nucleótidos recién incorporados al (RN 'orman una &élice corta (RN6()N con su plantilla* Esta &élice &í#rida es transitoria, pues con'orme el polímero se alarga por su e%tremo @?, el e%tremo 1? se separa del molde, el cual "uel"e a empare5arse con su &e#ra de ()N complementaria* !a transcripción concluye cuando la (RN polimerasa alcanza una se=al -una secuencia especí'ica de #ases del ()N3 $ue act4a como e;al (e $e"i&aci&* El producto o#tenido, un (RN$"a&c"i!$# !"ia"i#0 resulta una copia complementaria y antiparalela de una región del gen comprendida entre el punto de inicio y la se=al de terminación* El transcripto primario repite la dirección y la secuencia -e%cepto por$ue lle"a U en "ez de T3 de la &e#ra no copiada o antimolde, lo $ue 5usti'ica $ue a esta 4ltima se apli$uen las denominaciones de &e#ra positi"a o codi'icante* Es la cadena con"encionalmente elegida para representar un gen* Ca#e aclarar $ue al descri#ir la transcripción en 'orma general, &emos omitido la mención de regiones reguladoras de los genes, #a5o cuyo control se
encuentran los acontecimientos analizados* Este aspecto del tema ser7 desarrollado m7s adelante en el mismo capítulo* ($uí resumimos los re$uisitos de la transcripción: Una molécula de ADN #l(e, con región !"##$#"a, $ue indica el inicio de la transcripción, con ec,e&cia (e $e"i&aci&, $ue marca el 'in del proceso, y un segmento $ue ser7 e%presado*
Una enzima ARN !#lie"aa $ue:
6reconoce las secuencias se=alizadoras, 6a#re la &élice, 6lee el molde -de @Ya 1Y3, 6reconoce y u#ica los sustratos complementarios, 6polimeriza los sustratos-de 1Ya @Y3* C#4ac$#"e e&*i<$ic# (e la ARN !#lie"aa: gWW o nWW* S,$"a$#= UT<, (T<, DT< . CT<*
Una 4,e&$e (e e&e"/%a: los mismos sustratos* Una !i"#4#4a$aa. Una $#!#i#e"aa I.
( partir de distintos genes se transcri#en di'erentes clases de (RN: ARN e&a:e"#>ARN?0ARN (e $"a&4e"e&cia>ARN$?0ARN "i)#ic#>ARN"?0ARN !e2,e;# &,clea"e + ci$#!la<$ic# >ARN!&@ARN!c "e!ec$i8ae&$e?. Si #ien el proceso transcripcional es #7sicamente similar en procariotas y eucariotas, e%isten di'erencias * la !"i&ci!ale (i4e"e&cia e& la $"a&c"i!ci& e& c9l,la !"#ca"i#$a + e,ca"i#$a #&= Ei$e ,&a #la ARN !#lie"aa !"#ca"i#$a + $"e ARN !#lie"aa e,ca"i#$a.
La ARN !#lie"aa !"#ca"i#$a &# "e2,ie"e 4ac$#"e (e $"a&c"i!ci&. La e,ca"i#$a "e2,ie"e& la !"ee&cia (e 4ac$#"e (e
$"a&c"i!ci& )aale + , ac$i8i(a( e "e/,la(a !#" 4ac$#"e (e $"a&c"i!ci& e!ec%4ic#.
La ec,e&cia e;ali*a(#"a #& (i4e"e&$e
LA MABUINARIA TRADUCCIONAL !a traducción implica el 'uncionamiento coordinado de un gran n4mero de moléculas entre las $ue se encuentran los distintos tipos de (RN* Una "ez transcriptos cada (RN su're una serie de modi'icaciones cuyas características di'ieren seg4n &a#lemos de células procariotas y eucariotas* )escri#iremos cada (RN en general y luego sus "ariantes en am#os tipos celulares* ARN >MENSAJERO? !os (RNm son moléculas lineales de cadena simple en donde residen las instrucciones para la ela#oración de un producto proteico* !os (RNm eucariotas y procariotas son esencialmente iguales en el sentido $ue presentan, una "ez listos para la traducción , una secuencia continua de codones $ue se e%tienden desde el principio al 'in del mensa5e genético dictando con e%actitud la secuencia lineal de amino7cidos de una cadena polipeptídica en particular* Esta secuencia se lee en la dirección 1AZ @A* El principio de la secuencia presenta un codón iniciador -casi siempre (UD3, y el 'inal de la secuencia o región codi'icadora es un codón de terminación o stop -UD(, U((, U(D3* (dem7s de la región codi'icadora presenta sectores e%tra en los e%tremos 1A y @A del mensa5ero denominados secuencias directora y seguidora respecti"amente* Estas regiones no se traducen en proteína aun cuando 'orman parte del (RNm transcripto del gen*
ARN EUCARIOTA - !a mayoría de los (RNm eucariotas presentan la secuencia del mensa5e interrumpida , es decir coe%isten a lo largo de la molécula sectores $ue codi'ican para la proteína llamados EBNES, con secuencias intercaladas sin in'ormación denominadas INTRBNES *
Estructura en mosaico del (RNm transcripto primario eucariota - !os (RNm transcriptos primarios su'ren una serie de modi'icaciones antes de salir al citoplasma como (RNm maduro* (lgunos cam#ios consisten en el agregado de moléculas en los e%tremos 1A y @A llamados ca!!i&/ y !#lia(e&ilaci&* Ca!!i&/: sta es la denominación del proceso por el cual se adiciona en el e%tremo 1A del (RNm una molécula de 2 metil6guanosina -un nucleótido metilado3 a la $ue se conoce como ca! -del inglés, capuc&ón3* sta molécula se agrega al (RNm naciente cuando éste alcanza, apro%imadamente, los @F nucleótidos de longitud*
El agregado del cap
P#lia(e&ilaci&: Este proceso consiste en el agregado de alrededor de unas 1F adenosinas o c#la !#li A , en el e%tremo @A del (RNm* El (RNm presenta una secuencia de nucleótidos especí'ica AAUAAA conocida como se=al de poliadenilación*
!as 'unciones de la cola poli ( son: proteger el e%tremo @A de la degradación y ayudar a los (RNm a salir del n4cleo* Btra modi'icación signi'icati"a a'ecta a la secuencia codi'icadora, $ue su're un acortamiento producto de la eliminación de los intrones, $uedando como producto 'inal los e%ones empalmados en secuencia continua* Este tipo de procesamiento se llama e!ale -!lici&/3 y 'ue descu#ierto en /022* El corte de intrones y el empalme de e%ones de#en ser muy e%acto, pues de lo contrario un error pe$ue=o, causaría un corrimiento del marco de lectura del (RNm* ARN PROCARIOTA -!os (RNm procariotas presentan las pues carecen de intrones *
secuencias codi'icadoras continuas,
-No su'ren modi'icaciones post6transcripcionales* 3-uc&os (RNm procariotas son !#lici$"&ic#, es decir $ue una sola molécula de (RNm contiene in'ormación para "arias proteínas* Este (RNm contiene codones para la terminación y para la iniciación de la traducción entre las secciones codi'icadoras de proteínas, de modo $ue se traduce como "arias moléculas de proteína distintas* ARN$ >TRANSERENCIA? !os (RNt son moléculas [adaptadoras[ ya $ue interact4an por un lado con la cadena polinucleotídica -(RNm3 y por el otro con los amino7cidos $ue 'ormar7n parte de la cadena polipeptídica, así alinean a los amino7cidos siguiendo el orden de los codones del (RNm* Cada (RN t es una molécula de 2F a 0@ ri#onucléotidos* Enlaces puente &idrógeno entre sus #ases repliegan la molécula dando origen a una disposición espacial en 'orma de tré#ol -Cada #razo presenta una zona de do#le cadena y un asa o #ucle de cadena simple sin apareamiento de #ases* Interacciones posteriores do#lan la estructura de tré#ol 'ormando una [ele[* O codones y apro%imadamente @/ (RNt, si en la naturaleza &ay F amino7cidos P E%isten > com#inaciones posi#les en $ue las > #ases pueden ordenarse en tripletes o codones* )e ellos, @ son codones stop* !os / tipos restantes codi'ican para los F amino7cidos, e%istiendo para "arios de ellos codones sinónimos !os anticodones de los (RNt reconocen a los codones del (RNm, sin em#argo no &ay / tipos distintos de (RNt por$ue no se re$uiere la complementaridad e%acta entre los @ nucleótidos del codón y el anticodón*
En muc&os casos, mientras coincidan las primeras #ases del codón, &ay su'iciente [#alanceo[en la tercera posición para permitir el acoplamiento con m7s de un tipo de nucleótido en el anticodón, de manera $ue e%isten apro%imadamente @/ tipos de (RNt*
Todos los (RNt presentan un porcenta5e signi'icati"o de #ases poco 'recuentes $ue surgen por modi'icación post6transcripcional de los cuatro ri#onucleótidos est7ndar (, D, C y U
Estructura del (RNt
En esta molécula se distinguen #7sicamente dos e%tremos: En el e%tremo @A o e$"e# ace!$#" de la molécula se encuentra el trinucleótido CC( $ue representa el sitio de unión donde se liga el amino7cido* Esta unión es catalizada por una enzima aminoacil (RNt sintetasa especí'ica y apropiada para cada uno de los F amino7cidos*
En el otro e%tremo de la [ele[ se localiza un triplete de nucleótidos conocido como a&$ic#(&0 cuya secuencia "aría en cada tipo de (RNt* Cada anticodón es complementario de un codón del (RNm, aun$ue podría acoplarse a m7s de un codón -i&&i#3*
)e#e tener una región $ue act4e como sitio de unión para el amino7cido*
)e#e tener una secuencia complementaria -anticodón3 especí'ica para el codón del (RNm correcto*
ARN" >RI'OSÓMICO? !os (RNr, 5unto a proteínas, son los componentes de los RI;BSB(S* !os ri#osomas y los (RNt inter"ienen en la traducción de la in'ormación codi'icada en el (RNm por lo cual los primeros son considerados '7#ricas de proteínas* Cada ri#osoma consta de dos su#unidades: la su#unidad (.BR y la su#unidad ENBR
odelo tridimensional del ri#osoma #acteriano "isto desde distintos 7ngulos !a su#unidad mayor contiene una depresión en una de sus super'icies, en la cual se a5usta la su#unidad menor* El (RNm se inserta en el surco 'ormado entre las super'icies de contacto de las su#unidades*
)entro de cada ri#osoma &ay dos &uecos llamados sitios ( -(INB(C)ICB3 y < -
odelo de ri#osoma $ue representa la u#icación tentati"a del (RNm y de la proteína naciente
Sitios aminoacídico y peptidílico del ri#osoma !as su#unidades ri#osómicas tra#a5an con5untamente para la síntesis proteica* !a su#unidad menor alo5a al (RNm so#re el cual se acomodan los (RNt para $ue puedan unirse los amino7cidos $ue transportan* !a su#unidad mayor cataliza la unión peptídica de los amino7cidos gracias a la acción de la peptidil trans'erasa - enzima $ue 'orma parte de la estructura de esta su#unidad3* Si #ien cumplen idéntica 'unción, los ri#osomas procariotas y eucariotas se di'erencian en su tama=o, coe'iciente de sedimentación y en el tipo y n4mero de moléculas de (RNr y proteínas $ue los 'orman* LOS ARN PEBUEFOS !os (RN pe$ue=os 'orman comple5os con proteínas especí'icas dando lugar a la 'ormación de partículas ri#onucleoproteicas -RNP3* !as RN< localizadas en el n4cleo se denominan RNP!&: partícula ri#onucleoproteica pe$ue=a - sn RN<s: small 6pe$ue=a6 n: nuclear6
RN<:ri#onucleoproteica3* arios RN
EL PROCESO DE LA TRADUCCIÓN O SNTESIS PROTEICA !a síntesis proteica consiste en la traducción de la in'ormación codi'icada en la secuencia de nucleótidos del (RNm, en la secuencia correspondiente de amino7cidos en una cadena polipeptídica* !a síntesis proteica se lle"a a ca#o en los RI;BSB(S y si #ien en esencia es un proceso similar en todos los organismos, la ma$uinaria traduccional es m7s comple5a en eucariotas* !a síntesis proteica incluye las siguientes etapas: /* (CTI(CIMN )E !BS (INB\CI)BS B (INB(CI!(CIMN * TR()UCCIMN )E! (RNm
. ACTI6ACIÓN DE LOS AMINOCIDOS (ntes de la traducción cada (RNt se enganc&a a su amino7cido especí'ico* Esta reacción de aminoacilación es catalizada por las enzimas aminoacil (RNt sintetasas * E%isten F tipos distintos de enzimas, una para cada amino7cido* El proceso de aminoacilación ocurre en dos etapas: a6 En la primera 'ase se utiliza la energía de la &idrólisis del (T< para unir cada amino7cido a un (<, con un enlace de alta energía* Esta reacción da origen a un comple5o intermediario denominado aminoacil6 (< :
Etapa / de la aminoacilación
#6 Sin a#andonar la enzima, se trans'iere el amino7cido del comple5o aminoacil6 (< al (RNt especí'ico, con lo cual se origina la molécula 'inal: AMINOACIL -ARN$
Etapa de la aminoacilación En resumen, la aminoacilación o acti"ación de los amino7cidos tiene dos 'unciones : /6 proporcionar el primer paso en la traducción del mensa5e genético a una secuencia de amino7cidos Q 6 acti"ar al amino7cido antes de incorporarlo a la proteína* El enlace entre el (RNt y el amino7cido li#era al &idrolizarse la energía necesaria para propulsar la 'ormación del enlace peptídico durante la traducción* . TRADUCCIÓN El mecanismo por el cual se traduce el mensa5e del (RNm puede descri#irse en tres etapas:
I&iciaci&
El#&/aci&
Te"i&aci&
En todas las 'ases se re$uiere la presencia de un comple5o sistema de proteínas citoplasm7ticas conocidas como 'actores de iniciación, 'actores de elongación y 'actores de terminación respecti"amente* )ic&os 'actores son di'erentes en procariotas y eucariotas aun$ue sus 'unciones son seme5antes* INICIACIÓN DE LA TRADUCCIÓN En esta etapa se re4nen los componentes $ue constituyen el comple5o de iniciación, disparador de la síntesis proteica* El comple5o est7 compuesto por una molécula de (RNm, una su#unidad mayor, una su#unidad menor, el (RNt iniciador -cargado con metionina en eucariotas y con N6'ormilmetionina en procariotas3 y 'actores proteicos de iniciación - I3 *
)ic&o comple5o comienza a 'ormarse cuando se acoplan a la su#unidad menor el (RNm y el aminoacil ](RNt iniciador* No est7 claro cual de las dos moléculas se une primero la su#unidad menor, pero am#as de#en estar presentes antes $ue la su#unidad mayor cierre el comple5o originando un ri#osoma completo y 'uncional !a posi#le secuencia de acontecimientos durante la iniciación de la traducción en eucariotas es: . DT<*
El aminoacil](RNt iniciador se une a la su#unidad menor, con gasto de
. El (RNm se acopla a la su#unidad menor , para lo cual de#e ser pre"iamente reconocida la cap y los nucleótidos contiguos en el e%tremo 1A del mensa5e* 3. de Este
!a su#unidad menor se desliza so#re el (RNm &asta localizar al codón iniciación (UD* modelo de selección propuesto para eucariotas di'iere del modelo de empare5amiento descripto para procariotas, por el cual el acoplamiento de #ases codón6anticodón iniciador se produciría por un empare5amiento de #ases $ue preceden a (UD del (RNm con el e%tremo @Adel (RNr de la su#unidad menor* H. Una "ez localizado y acoplado el anticodón al codón (UD del mensa5e se esta#lece la pauta de lectura correcta para el resto de los codones $ue contenga la región codi'icadora del (RNm* . Ginalmente se acopla la su#unidad mayor, $uedando el aminoacil ](RNt iniciador en el sitio < del ri#osoma* Como todas las cadenas polipeptídicas &an sido iniciadas por un (RNt iniciador, todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina -o N6'ormilmetionina en #acterias3 como residuo amino terminal* En am#os casos la metionina inicial es eliminada por una aminopeptidasa especí'ica*
Gases de la etapa de iniciación de la síntesis proteica
T"e clae (e i&$e"acci#&e (e$e"i&a& el i&ici# (e la %&$ei !"#$eica= •
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Rec#&#ciie&$# (el c#(& (e i&iciaci& AUG e& la ,),&i(a( e&#" (el "i)##a Ac#!laie&$# (e )ae (el c#(& AUG c#& el ARN$ i&icia(#" Ac#!laie&$# (e la ,),&i(a( a+#" (el "i)##a ce""a&(# el c#!le:# (e i&iciaci&
. ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTDICA El proceso de elongación o crecimiento de la proteína puede resumirse en tres etapas: . Una molécula de aminoacil](RNt ingresa al sitio ( "acante del ri#osoma -adyacente al sitio < $ue est7 ocupado3 acopl7ndose por complementaridad de #ases al segundo codón del (RNm e%puesto en ese lugar* Esta reacción re$uiere la inter"ención de un 'actor de elongación y DT<* K. El amino7cido iniciador se desacopla del (RNt del sitio <, li#erando energía $ue se utiliza en la 'ormación del enlace peptídico entre los dos amino7cidos alineados -reaccionan el car#o%ilo del primer amino7cido con el grupo amino del segundo amino7cido3* Esta reacción es catalizada por una peptidil trans'erasa integrante de la su#unidad
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mayor* Como consecuencia de esta reacción el (RNt iniciador del sitio < $ueda sin amino7cido y el dipéptido resultante $ueda enganc&ado al (RNt del sitio ( -peptidil (RNt3* . El nue"o peptidil (RNt del lugar ( es translocado al lugar < cuando el ri#osoma se desplaza tres nucleótidos a lo largo de la molécula de (RNm* Esta etapa re$uiere energía y la presencia del un 'actor de elongación* Como parte del proceso de translocación la molécula li#re de (RNt $ue se &a generado en el sitio < se li#era del ri#osoma, puesto $ue su lugar pasa a ser ocupado por el peptidil (RNt* (sí el sitio (, $ue se &alla desocupado, puede aceptar una nue"a molécula de aminoacil](RNt, con lo cual se "uel"en a iniciar los pasos anteriormente analizados*
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Re,ie&(#0 el cicl# (e el#&/aci& (e la %&$ei e ca"ac$e"i*a !#"= •
La ,&i& (el ai&#acil-ARN$ >"ec#&#ci(# !#" el c#(&?
•
La 4#"aci& (el e&lace !e!$%(ic#
•
La $"a&l#caci& (el "i)##a
TERMINACIÓN DE LA SNTESIS PROTEICA . !a 'inalización de la síntesis proteica ocurre ante la llegada, al sitio ( del ri#osoma, de uno de los tres codones stop o de terminación: UD(, U(D, U((* stos son reconocidos por un 'actor de terminación* !a asociación del codón stop con dic&o 'actor modi'ica la acti"idad de la peptidil trans'erasa, la $ue adiciona agua al peptidil 6 (RNt en lugar de un nue"o amino7cido* . Como consecuencia de esta reacción el polipéptido se desacopla del (RNt, li#er7ndose en el citoplasma* El (RNm se desacopla del ri#osoma y se disocian las dos su#unidades, las cuales podr7n "ol"erse a ensam#lar so#re otra molécula de (RNm reinici7ndose el proceso de traducción*
Gases de la etapa de terminación de la síntesis proteica
L# ac#&$eciie&$# 2,e ca"ac$e"i*a& a la $e"i&aci& (e la %&$ei #& =
•
•
El "ec#&#ciie&$# (el c#(& $#! La (i#ciaci& (e la ,),&i(a(e "i)#ica0el ARN + la ca(e&a !#li!e!$%(ica.
ACTI6IDADES La i/,ie&$e ac$i8i(a(e e "eali*a"<& e& /",!# (e e$,(ia&$e. Ac$i8i(a( = Cada grupo de#e idear una 'orma did7ctica para e%plicar el tema de síntesis de proteínas, puede ser trayendo modelos o ma$uetas de las di'erentes moléculas $ue inter"ienen en el proceso y e%plicando el proceso* Cada estudiante del grupo de#e estar en capacidad para e%plicar su modelo* Estos modelos o ma$uetas l# (e)e& $"ae" a la clae !"ee&cial para en una &ora realizar las e%posiciones* Traten en lo posi#le de sintetizar el tema para e%ponerlo en /1 minutos* No acepto grupos de o tres estudiantes*
Ac$i8i(a( = Re!#&(e la i/,ie&$e !"e/,&$a + e&8%ala a la !la$a4#"a. /* Consulta en $ue consiste la regulación de la e%presión génica* La regulación génica comprende todos aquellos procesos que afectan la acción de un gen a nivel de traducción o transcripción, regulando sus productos funcionales, es decir la regulación genética no es más que la regulación de la síntesis de las
macromoléculas.
Cada una de las siguientes respuestas de#e tener su e%plicación * Un 'ragmento de )N( tiene esta secuencia en una de sus &e#ras* Si se transcri#e un mRN( a partir de este )N(, usando como molde la he)"a c#!lee&$a"ia a la mostrada, Ocu7l ser7 la secuencia de dic&o mRN(P ACGTCATTGCAA GCATTAC )N( 1A6 6@A RN(:
1A6
ACGUCAUUGCAA GCAUUA
6@A
Se o#tiene la otra &e#ra TDC(DT((CDTTCDT((TDD Entonces el (RNm seria (CDUC(UUDC((DC(UU(CC
@* ;a5o condiciones donde la metionina de#e ser el primer amino7cido, O$ué proteína estar7 codi'icada por el siguiente mRN(P -CUUGUGCAGAUGCGCCAUUAUAAGUGCCACACGUGACACACA-3
A.
>*
En este diagrama de la &or$uilla de replicación del proceso de replicación del )N(, la &e#ra de )N( sintetizado de nue"o y marcada como C es: ( *la &e#ra codi'icante ;* el )N( progenitor C *la &e#ra adelantada ) *la &e#ra retardada !a &e#ra retardada es el )N( sintetizado de no"o, donde la adición de los nucleótidos se e'ect4a en el e%tremo opuesto al a"ance de la &or$uilla de replicación* Este 'ragmento tiene su e%tremo 1A pró%imo al interior de la &or$uilla de replicación, y se sintetiza en 'ragmentos cortos de Bazai para rellenar el espacio creado por el )N( desenrollado* 1* *
En este diagrama del proceso de replicación del )N(, en la &or$uilla de replicación, los rect7ngulos negros nom#rados ) y E, representan: (* ;* C* )*
RN( ce#ador He#ras de )N( molde Gragmentos de Bazai )N( polimerasa
En este diagrama del proceso de replicación del )N(, en la &or$uilla de replicación, los rect7ngulos negros nom#rados ) y E, representan:
* Se o#tiene una muestra de )N(, se transcri#e a su mRN( y se puri'ica* Se separan entonces las dos &e#ras del )N( y se analiza la composición de #ases de cada &e#ra del )N( y del mRN(* Se o#tienen los datos recogidos en la ta#la de la derec&a* OLué &e#ra del )N( es la &e#ra transcrita, $ue sir"e como molde para la síntesis del mRN(P
he)"a DNA &º he)"a DNA &º M"&a A. '. C. D. E.
A /0*/ @*^ @*^
G *F @F*^ @F*0
C @/*F 1*2 */
T @*0 /0*@ F
F F /0*F
He#ra / He#ra (m#as &e#ras, / y Ninguna &e#ra, ni / ni !a in'ormación es insu'iciente para decidir
El mRN( usa una de las dos &e#ras del )N( como molde y así ser7 complementario de ella* !a &e#ra codi'icante del )N( es tam#ién complementaria de la &e#ra molde, por lo $ue el mRN( y la &e#ra codi'icante de#en tener la misma composición de #ases, con U reemplazando a T* !a &e#ra de )N( / tiene la misma composición de #ases $ue el mRN(, con el reemplazamiento de T por U.
2* Si ,&a !"#$e%&a $ie&e 3 ai&#
Existen ! tripletes distintos " #$ aminoácidos diferentes, de manera que un aminoácido puede venir codificado por más de un codón% Este tipo de código se denomina degenerado%
0* Un RN( mensa5ero tiene @0 nucleótidos de longitud, incluyendo los codones de iniciación y de terminación* El n4mero de amino7cidos de la proteína traducida a partir de este mRN( es: ( /0/2
;* @ C /
)*//
E*//F
