BIOLOGÍA MENCIÓN BM-13
EXPRESIÓN GÉNICA
INTRODUCCIÓN La expresión génica génica es el proceso mediante el cual la información almacenada en el DNA es usada 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 que terminará manifestándose como un rasgo fenotípico fenotípico adquirido por la célula en la que esta información genética se expresa. Sin embargo, el momento en que esta información genética ge nética es expresada, se encuentra altamente regulada regulada por diversos factores (entre ellos, estímulos ambientales, la acción reguladora de ciertas hormonas, el grado de condensación de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, en todo momento, la producción adecuada de proteínas, para cuando ellas sean requeridas por el metabolismo celular. Durante el proceso de diferenciación celular, celular, la expresión génica se regula de modo que ciertos genes se "encienden "encienden"" y otros se "apagan " apagan", ", permitiendo a las células modificar su contenido proteico y, proteico y, por lo tanto, su propio propio fenotipo, fenotipo, que es el requisito necesario para transformar un tipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a un individuo. Las mutaciones pueden mutaciones pueden alterar la información almacenada en los genes, originando a partir de un gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). alelos). Estos genes alelos son los responsables de las variaciones fenotípicas (diversidad biológica) biológica) que manifiestan las poblaciones de seres vivos, sobre las que actúa el proceso de selección natural natural durante la evolución de evolución de los seres vivos.
1.
LOS EXPERIMENTOS QUE DEMOSTRARON QUE EL DNA ES EL MATERIAL GENÉTICO
Hacia 1887 los investigadores habían llegado a la conclusión de que la base física de la herencia se hallaba en el núcleo. Se demostró que la cromatina consistía en ácidos nucleicos y nucleicos y proteínas pero no se sabía con certeza cuál de las dos sustancias era el material genético. Mientras los químicos procuraban resolver la estructura del DNA, los biólogos trataban de identificar la fuente de información genética. Se llevaron a cabo experimentos con bacterias y con virus, virus, que proporcionaron la evidencia fundamental fundamental de que que el material material genético no era la proteína sino el DNA.
Descubrimiento del principio de transformación transformación En 1928, 1928, F. Griffith Griffith observó que la bacteria Streptococcus pneumoniae , productora de la neumonía humana, se presentaba en dos cepas distintas. Una de de ellas ellas es es virulen virulenta ta (provoca la enfermedad), presenta capsula y forma colonias con aspecto liso; denominada denominada cepa IIIS y a la otra variante de neumococo, que no presenta cápsula, no produce la enfermedad y forma colonias rugosas se denominó cepa IIR. Con estas dos cepas Griffith Griffith realizo el siguiente experimento (Figura 1). 2
Experimento Pregunta: ¿un extracto de bacterias muertas puede transformar genéticamente células vivas?
Conclusión: una sustancia presente en las bacterias virulentas muertas por acción del calor transformó genéticamente las bacterias de tipo IIR en bacterias de tipo IIIS virulentas vivas,
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 se habían transformado de algún modo y habían adquirido la virulencia genética de las bacterias muertas de tipo IIIS. Esta transformación produjo un cambio genético permanente en las bacterias, sin embargo Griffith no comprendió la naturaleza de la transformación y supuso que alguna sustancia de la cubierta de polisacáridos de las bacterias muertas podría explicar el cambio. A esta sustancia la denominó principio de transformación.
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Identificación del principio de transformación Posteriormente y tras diez años de investigación Avery junto con MacLeod y MacCArty pudieron aislar y purificar esta sustancia. Demostraron que su composición química correspondía al DNA y diferente de las proteínas. Sometieron a la sustancia a la acción de diversas enzimas, como la tripsina y la quimiotripsina, las cuales actúan en la degradación de las proteínas, pero no tenían ningún efecto sobre esta sustancia. Lo mismo sucedía con la ribonucleasa; enzima que destruye al RNA. Sin embargo las enzimas capaces de destruir el DNA eliminaron la actividad biológica de la sustancia de transformación. (Figura 2).
Experimento Pregunta: ¿cuál es la naturaleza química de la sustancia de transformación?
El calor mata a las bacterias virulentas, se homogeniza y se filtra.
Además los científicos demostraron que la sustancia de transformación purificada se precipitaba con la misma velocidad que el DNA purificado y absorbía la luz ultravioleta en la misma longitud de onda que el DNA. Estos resultados publicados en 1944, fueron la primera evidencia convincente que el principio transformante y por ende la información genética está en el DNA. Pese a que esta prueba demostraba que el DNA era el principio transformante, muchos biólogos se resistían en aceptar esta idea y preferían la hipótesis de que el material genético era la proteína. Esto principalmente porque las proteínas presentan 20 aminoácidos diferentes para estructurarlos, asegurando con ello una gran diversificación.
Figura 2. Experimentos de Avery, MacLeod y MacCarty para la identificación del 4 principio de transformación.
Conclusión: dado que solo la DNasa destruyó la sustancia de transformación, la sustancia responsable de la transformación es el DNA.
Segunda evidencia: Experimento con virus de Hershey - Chase Frente a la resistencia de muchos biólogos, en 1952 Alfred Hershey y Martha Chase proporcionaron una segunda evidencia de que el DNA es el material genético. Estos científicos realizaron un trabajo experimental con el virus T2, un bacteriófago que infecta a la bacteria Escherichia coli, el cual se reproduce uniéndose a la pared externa de la bacteria, inyectando su DNA dentro de ella donde se replica y dirige la síntesis de las proteínas propias del fago. El DNA del fago se encapsula dentro de las proteínas y produce los fagos, que lisan o rompen la célula y liberando los fagos de la progenie. En ese momento los biólogos no comprendían con exactitud cómo se reproducían los fagos. Si sabían que los fagos T2 se componían de un 50 % de proteínas y de un 50 % de ácidos nucleicos y que los fagos ingresaban a las bacterias y se reproducían. Como la progenie portaba los mismos rasgos de infección, el material genético de este debía transmitirse a la descendencia, pero se desconocía el mecanismo. Hershey y Chase idearon una serie de experimentos para determinar que se transmite durante la reproducción del fago: la proteína o el DNA. Para rastrear el destino de las moléculas en la reproducción viral, utilizaron formas radioactivas (isótopos) del fósforo y azufre. Un isótopo radioactivo puede utilizarse como marcador para identificar la ubicación de una molécula específica, porque cualquier molécula que contenga el isótopo es radioactiva y, por ende, fácil de detectar. El DNA contiene fósforo, pero no azufre, por lo tanto se utilizó 32P para marcar el DNA, en cambio la proteína tiene azufre, pero no fósforo, por lo que se utilizó 35S .El desarrollo del trabajo experimental de Hershey y Chase se presentan en la figura 3.
Este trabajo les permitió a los científicos concluir que es el DNA y no la proteína la que entra en la bacteria durante la reproducción del fago y que solo el DNA se transmite a los fagos de la progenie. No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cómo un compuesto tan simple podía almacenar y transmitir tanta información. La respuesta la proporcionó el progresivo conocimiento de su estructura. Desde que, en 1953, J. Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructura de doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética, nadie dudó de la función y la importancia del DNA.
El DNA es la macromolécula portadora de los genes. Un gen se define como el factor genético que contribuye a determinar una característica, las secuencias de ADN que codifica una molécula de ARN o la secuencia completa del DNA requerida para transcribir y codificar una molécula de RNA.
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Experimento Pregunta: ¿qué parte del fago –el DNA o la proteína- sirve como material genético y se transmite a su progenie?
Conclusión: el material genético de los bacteriófagos no e s la proteína sino el DNA.
Figura 3. Experimento de Hershey y Chase para identificar si el material genético era la proteína o el DNA.
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2.
CONCEPTO DE GEN
En la actualidad se cuenta con nuevos elementos que permiten precisar algunas definiciones, lo cual no significa que estos conceptos sean únicos y definitivos, ni que estas concepciones sean las únicas imperantes. Los genes tienen diferente longitud y no están ubicados en forma equidistante. Cada gen es una porción de una molécula de DNA y no tiene extremos físicos. Los genes no son contiguos, sino que están separados por regiones no codificantes de DNA. Algunos están agrupados y otros aislados en diferentes regiones del cromosoma. Una de las posibles definiciones de gen corresponde a todo segmento de DNA que se encuentra luego de un promotor y que puede ser transcrito por una RNA polimerasa y originar un RNA funcional (mRNA, rRNA, tRNA, snRNA, ribozima y otros tipos de RNA ).
Gen Eucarionte (Unidad de transcripción) Exón 1 Exón 2 Promotor Intrón 2 Intrón 1
Exón 3 Intrón 3
Exón 4 Termino
Figura 4. Representación de un gen eucariontes y sus componentes básicos.
Como se observa, muchos genes codifican RNA que nunca se traducen en proteínas, como los tRNA, los rRNA y los RNA que forman parte de los snRNP. Así, las definiciones clásicas no se ajustan a los conocimientos actuales. Los nuevos procedimientos y modelos de la biología molecular nos llevan a revisar constantemente 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 ciencia que se construye por medio de un proceso de cuestionamiento permanente, formulando modelos que pueden ser perfectibles. A su vez, es importante considerar que la biología molecular brinda un nivel de aproximación de los fenómenos biológicos, pero que existen otros niveles de organización que influyen y son influidos por los fenómenos que ocurren a nivel de las bases moleculares de vida. Los genes que contienen la información que se expresan en la producción regulada de enzimas y proteínas estructurales permiten controlar las reacciones bioquímicas y la forma de los organismos. El material genético se manifiesta dando forma y función a las proteínas, y debe replicarse con la suficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempo permitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato en la evolución.
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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 con referencia a una sola característica o a un conjunto de características; la suma total de todos los genes de un individuo.
Fenotipo:corresponde a las características observables de un organismo que resulta de las interacciones entre el genotipo y el ambiente.
La relación de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en la siguiente secuencia de conceptos: El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez está determinado por el fenotipo de sus células componentes. El fenotipo de una célula está determinado por su química interna, que es controlada por las enzimas que catalizan sus reacciones metabólicas. La función de una enzima depende de su estructura tridimensional específica, además depende de su secuencia lineal específica de aminoácidos. Las enzimas y las proteínas estructurales, presentes en una célula, están determinadas por el genotipo de la célula. Los genes especifican la secuencia lineal de aminoácidos en las proteínas y por lo tanto los genes determinan el fenotipo. El fenotipo está determinado por el genotipo más la acción ambiental. El genoma humano es la totalidad de la información del Homo sapiens, es decir, la secuencia de ADN contenida en 23 pares de cromosomas en el núcleo de cada célula humana diploide y la secuencia del ADN mitocondrial.
4.
FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
F. Crick enunció lo que él llamó “el dogma central”, según el cual la información fluye del DNA a las proteínas en una única dirección. DNA
transcripción
RNA
traducción
Proteínas
Así, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composición de las proteínas. F. Crick fue criticado por utilizar el término “dogma” ya que un dogma es algo que no se pone en duda. El científico reconoció más tarde que debió llamarlo hipótesis central. Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unas pocas excepciones. La principal excepción corresponde a la transcripción inversa, en la cual la información codificada por ciertos virus que contienen RNA se transcribe al DNA por la acción de la enzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hipótesis central hoy se presenta así. replicación
DNA
transcripción (transcriptasa inversa)
RNA 8
traducción
Proteínas
TRANSCRIPCIÓN O SÍNTESIS DEL RNA La transcripción consiste en la síntesis de una molécula de RNA a partir de una de las cadenas del DNA; esta cadena se denomina complementaria, molde, no-codificadora o templado; la otra hebra del DNA se denomina no complementaria o codificadora (Figura 5). 5’
RNA transcrito cadena de DNA transcrita Región promotora (no forma parte del marco de lectura)
RNA polimerasa
5’
DNA
3’ 3’
3’
5’
Sentido de la transcripción Desenrollamiento del DNA
Reenrollamiento del DNA cadena de DNA no transcrita 5’
5’ 3’ 5’
DNA 3’
3’
3’
5’
Figura 5. Representación del proceso de transcripción. Observe que la dirección de la trascripción siempre es 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 RNA que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra molde o templada de DNA puede terminar como: RNA mensajero, RNA de transferencia y/o RNA ribosomal; estos dos últimos no llevan información genética de una proteína, pero son imprescindibles en el proceso de síntesis de ella .
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 dirección de la transcripción siempre va en el sentido 5’ a 3’.
La síntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de RNA que se forma es complementaria a un fragmento de una de las cadenas de DNA. En la cadena de RNA no 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. Post transcripción. 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 de DNA, llamada promotor. En el promotor se encuentran dos cortas secuencias situadas entre -35 y -10 nucleótidos del inicio (0) de la transcripción. La misión de las secuencias promotoras es indicar dónde se inicia la transcripción, en cuál de las dos hebras del DNA y en qué lugar (Figura 6). DNA
-35 TTGACA
-10
0
TATATT Inicio de la transcripción
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 las dos cadenas expuestas del DNA actúa como patrón para el apareamiento de las bases complementarias y se inicia la formación de una cadena de RNA. De esta forma, la cadena de RNA va creciendo nucleótido a nucleótido en dirección 5’ a 3’ (Figura 7). El proceso de elongación de la cadena continúa hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del DNA, la señal de terminación.
Durante la elongación de la cadena de RNA, la polimerización alcanza una velocidad de 30 nucleótidos por segundo a 37º C. Por consiguiente, una cadena de RNA de 5.000 nucleótidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.
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Cadena no transcrita
Transcripción DNA
Cadena transcrita mRNA (copia complementaria de la cadena de DNA transcrita
mRNA Transcrito primario Figura 7. Síntesis de una molécula de mRNA.
C) Terminación Existen diversas señales de terminación en el DNA molde que son secuencias que desencadenan la 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 a ser traducido, por lo tanto no necesita de maduración, habitualmente son policistrónicos. Los RNA ribosomal y de transferencia se forman a partir de transcritos primarios. La maduración consiste 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 de RNA y es distinta a las observadas en eucariontes. En eucariontes cada gen eucariota se transcribe separadamente (monocistrónico), con un control transcripcional independiente para cada uno. Las células eucariontes poseen tres tipos distintos de RNA polimerasas cada una de los cuales es responsable de la transcripción de los diferentes tipos de RNA: La RNA polimerasa I transcribe el rRNA (RNA ribosomal) la RNA polimerasa II el pre –mRNA y algunos snRNAy la polimerasa III el tRNA. 11
Los distintos RNA transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones no encontradas en procariontes. A medida que transcurre la transcripción, las moléculas de mRNA, llamadas transcritos primarios, son modificadas. Esto ocurre antes de que sean transportadas al citoplasma, que es el sitio donde ocurre la traducción. Las modificaciones son varias e incluyen: 1.
Adición del CAP: Un nucleótido modificado de guanina (CAP) se añade al extremo 5’ del mensajero. Este “ protección ” es imprescindible para la uni ón del mRNA al ribosoma y protege al mRNA de la degradación por exonucleasas citoplasmáticas.
2.
Poliadenilación: En el extremo 3’ del mRNA hay una secuencia señal (AAUAAA) a la que se unen factores específicos y la enzima poli-A polimerasa. Esta enzima estimula la escisión en un sitio ubicado 10 a 35 nucleótidos hacia el extremo 3’ de la señal. Luego, la enzima agrega, de a uno, una cola de ribonucleótidos de adenina (cola de poli-A) y así se genera el extremo 3’ del mRNA maduro. Esta cola de poli -A, contiene 100-250 nucleótidos y parecería que influyen en la estabilidad y en la capacidad de que los mRNA sean traducidos en el citoplasma.
3.
Corte y empalme o splicing: Durante la transcripción, el mRNA sufre un proceso de corte y eliminación de secuencias que no llevan información llamadas intrones, y el posterior empalme de los exones; secuencias que si llevan información. En un primer paso se unen al mRNA inmaduro unas pequeñas partículas de RNA nucleares asociadas con proteínas denominadas snRNP (del inglés, small nuclear ribonucleo-protein particles). Las snRNP se unen a secuencias cortas ubicadas entre los intrones y los exones. Luego se añaden 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 a cabo funciones catalíticas.
5’ CAP Protección
5’ CAP Protección
Figura 8. Procesamiento del mRNA en eucariontes. 12
El proceso de splicing, catalizado por spliceosomas, ocurre solo en organismos eucariotas. Las secuencias que se eliminan son los intrones, mientras que las secuencias que permanecen y forman parte del mRNA maduro son los exones.
Figura 9. Procesamiento diferencial del RNA mensajero.
En muchos casos, un mismo transcrito primario o pre mRNA (RNA heteronuclear) puede ser procesado por splicing en más de una forma. Este empalme alternativo permite obtener moléculas de mRNA maduro diferentes a partir de moléculas de mRNA inmaduro originalmente idénticas, lo cual da por resultado polipéptidos con distintas funciones; un mismo gen puede producir una proteína en un tejido y otra distinta en otro tejido. Esto es posible porque algunos genes producen moléculas de pre-mRNA que tienen múltiples patrones de empalme. Se ha observado que estos pre-mRNA presentan un segmento que puede ser Intrón o Exón. Este procesamiento diferencial del RNA nuclear permite, a las células de cada tejido, producir su propia versión de mRNA correspondiente al gen específico (Figura 9). El investigador Thonas R. Cech y sus colaboradores, en los Estados Unidos, estudiando el splicing del rRNA en un ciliado de agua dulce llamado Tetrahymena, encontraron que en estos organismos unicelulares eucariontes el propio intrón del rRNA inmaduro actúa como catalizador de la escisión y el empalme, es decir, se produce un empalme autocatalítico. Esta secuencia de RNA se pliega formando una estructura compleja que funciona como enzima, que se ha denominado ribozima. Se han encontrado otros ejemplos de empalme autocatalítico en varios organismos, en RNA codificados por genes mitocondriales o de cloroplastos, en algunos genes nucleares de eucariontes unicelulares 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 e intrones, situación no observada en procariontes. El número de intrones varía para cada gen, sin embargo, su número aumenta a medida que el organismo es más complejo y de reciente evolución. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinación genética (vía crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolución (de cambio). 13
GENES INTERRUMPIDOS POR INTRONES En las células eucariontes existen secuencias llamadas intrones que interrumpen a los exones. Estos intrones se transcriben a moléculas de ARN, pero se escinden antes de la traducción en proteínas por medio del proceso corte y empalme; los exones en cambio persisten en el ARN maduro. El número y tamaño de los intrones por gen varía considerablemente: por ejemplo el gen que codifica la ovoalbúmina, una proteína muy abundante de los huevos de las aves posee siete intrones largos, mientras el gen para una de las subunidades de la hemoglobina en mamíferos, la globina beta tiene solo dos intrones. A continuación se presenta un trabajo de hibridación de un fragmento de DNA con su ARN mensajero maduro, que pone en evidencia los siete intrones.
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ACTIVIDAD 1 1.
El siguiente esquema muestra etapas de la transcripción del DNA.
¿Cuál es el orden del proceso? Anote la letra que corresponda en la línea de puntos. 2°……….…………….. 3°…………………………… 1°………………………… 4°……………………………
2.
La figura representa el proceso de transcripción.
ARN
ARN polimerasa
C
Hebra ADN molde ¿Sentido de la reacción?
Al respecto: ¿Cuál es el sentido de la reacción? Rellene la punta correcta de la flecha. Las hebras del ADN son antiparalelas. Pinte la hebra que va de 3’ a 5’ ¿Cuál extremo de la doble hélice de ADN se va desenrollando el de su izquierda o el de su derecha? Justifique ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Anote en cada extremo del ARN, ¿cuál es el extremo 5’ y cuál extremo es el 3’? Justifique su respuesta. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
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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” aminoacídico escrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminoácidos que encontramos formando parte de las proteínas de un ser vivo, están representados en el código genético de la agrupación de tres bases nucleotídicas (triplete o codón) de las cuatro existentes. Este código f ue “descifrado” por Marshall, Nirenberg, Heinrich Matthaei, Robert Holley y Har Gobind Khorana, 10 años después que James D. Watson y Francis Crick “desentrañaran” el misterio de la estructura del DNA.
Cada triplete constituye un codón; existen en total 64 codones; 61 de ellos codifican aminoácidos y 3 son codones de término para el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden generarse 64 (4 3) combinaciones; en cambio la relación de 4 1 o 42 nucleótidos, no permitirá generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminoácidos.
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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 es el proceso por el cual la información lineal, escrita con cuatro letras (A, U, G, C), se traduce en información tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminoácidos). Si bien esta etapa es, en sus fundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que serán mencionadas 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 a información tridimensional (proteínas). En bacterias, el mRNA es traducido, sin mayor modificación, aun cuando su síntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacterias la transcripción y traducción son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (en el citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripción y traducción se hallan separados, espacial y temporalmente. Los mRNA se sintetizan fundamentalmente en el núcleo de la célula eucarionte y se combinan con diversas 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 corpúsculo denominado ribosoma (Figura 10). Esta estructura está formada por una sub-unidad menor y una mayor. La sub-unidad menor presenta el sitio de reconocimiento y unión al mRNA y la sub-unidad mayor posee la enzima que efectúa la unión peptídica (peptidil transferasa) y los sitios para los tRNA, denominados: sitio P (por peptidil), sitio A (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida) Figura 10. Subunidad mayor
Subunidad mayor ribosomal Sitio Sitio P E
Subunidad menor
E
Sitio A
P A Sitio de unión del ARNm
Subunidad menor del ribosoma
Figura 10. Anatomía de un ribosoma. 17
tRNA, el vehículo de los aminoácidos Los tRNA son las moléculas adaptadoras que permiten traducir el código de nucleótidos a aminoácidos para la síntesis de proteínas. Reconocen tripletes de nucleótidos ( codones) por un extremo de su molécula (anticodón) y en el otro extremo (3 ’) llevan un determinado aminoácido, que el ribosoma se encarga de unir covalentemente con otros aminoácidos, siguiendo en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA. Figura 11.
Aminoácido leucina
Anticodón Codón
ARNm
3’
5’ …
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 aminoaciltRNA sintetasa. Cada aminoácido se activa por su aminoacil-tRNA sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas distintas ,una 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 en la carga del aminoácido a su correspondiente tRNA, queda depositada en la unión química entre el aminoácido y el tRNA. Esta energía será utilizada posteriormente por la actividad de la peptidil transferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formación del enlace peptídico.
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Etapas de la síntesis de cadenas polipeptídicas En términos generales, se puede afirmar que la traducción es similar en procariontes y eucariontes, salvo algunas particularidades que los diferencian. En las secciones siguientes se concentrará la explicación en la maquinaria traductora de la bacteria Escherichia coli. En dichas secciones, 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 este motivo, el primer aminoácido incorporado durante la síntesis de muchas proteínas bacterianas es una metionina modificada, la N-formilmetionina (Figura 12). El inicio es algo diferente en los eucariontes, donde el mRNA es reconocido por la subunidad menor solo cuando ésta ha unido previamente la molécula de tRNA iniciador cargado con el residuo aminoacídico metionil, y algunos factores de iniciación eucarióticos.
Figura 12. Formación del complejo de iniciación.
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B) Elongación El proceso de elongación de la cadena polipeptídica sobre un ribosoma se puede considerar como un ciclo de tres etapas (Figura 13): 1) El tRNA cargado que se introduce en el sitio A, vacío, quedará cerca de la N-fornilmetioniltfMetRNA, que está localizada en el sitio P. 2) Formación del primer enlace peptídico cuando la N-formilmetionina del tRNA iniciador se une al residuo aminoacídico unido al segundo tRNA ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplaza tres 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 agregan a la cadena, en promedio, cinco aminoácidos por segundo, deteniéndose la incorporación cuando al sitio A llega alguno de los codones de término.
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 y ocupado por un factor de terminación, RF en las bacterias y eRF (eucaryotic releasing factor) en eucariontes. La cadena polipeptídica terminada se libera del último tRNA. Se disocian las subunidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser utilizados en una nueva síntesis (Figura 14).
Figura 14. Terminación de la traducción. 20
Traducción y Polirribosomas Tanto en las células procariontes y eucariontes las moléculas de mRNA se traducen por la acción de múltiples ribosomas, las estructura resultante –un mRNA con varios ribosomas -se denomina polirribosma o polisoma. Cada ribosoma se une sucesivamente al sitio que une ribosomas en el extremo 5’ del mensajero y se mueve hacia el extremo 3’; el polipéptido asociado con cada ribosoma progresivamente se torna más largo a medida que el ribosoma se mueve sobre el mRNA.
En las células procariontes la transcripción y traducción son simultáneas; por tanto, pueden unirse múltiples ribosomas al extremo 5’ del mRNA, mientras que la transcripción aun está en proceso en el extremo 3’.
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ACTIVIDAD 2 1.
En un trabajo de investigación microinyectó RNA de secuencia 5’ UUU UUU UUU 3’ en células bacterianas de Listeria monocytogenes y se formó un polipéptido con una secuencia de un aminoácido único y en células de roble Chileno ( Nothofagus oblicua) se formó otro polipéptido también con una secuencia de aminoácidos única, pero totalmente diferente al anterior. ¿Qué propiedad del código genético podría ser cuestionada con este hipotético resultado experimental? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
2.
En este ribosoma en plena traducción se observan tres ARNt.
Ribosoma
ARNt Anticodón U G G U U U G G C 5’
Codones
3’
Al respecto, conteste: a) ¿Cuál es el anticodón que posee y el aminoácido que trae el ARNt que se está ubicando en el sitio A? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………
b) ¿Cuál es el anticodón que posee y el aminoácido que trajo el ARNt que está ubicado en el sitio P? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………
c) ¿Cuál es el anticodón que posee y el aminoácido que trajo el ARNt que está saliendo del sitio E? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………
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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 solo se transmite a la descendencia una mutación si esta ocurre en 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 mutaciones pueden ser consecuencia de: sustituciones, adiciones o deleciones. Sustituciones: se cambia una base por otra, según sea el problema causado, se clasifican como: 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 ATA ARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU Proteína met ser leu cys tyr Sustitución neutra ADN 3’ TAC TCA GAC ACG ATA ARN 5’ AUG AGU CUG UGC UAU Proteína met ser leu cys tyr Con sentido erróneo ADN 3’ TAC TCA AGC ACG ATA ARN 5’ AUG AGU UCG UGC UAU Proteína met ser ser cys tyr Sin sentido ADN 3’ TAC TCA ATC ACG ATA ARN 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 de lectura de los tripletes del ARNm, y aparecen proteínas muy distintas .En la deleción se pierde un par de bases del DNA indicándose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente a la base de la hebra molde y en la adición se incorpora un par de bases en el ADN, también indicándose en el esquema con una flecha la base que se adicionó en la hebra molde.
DELECIÓN
Mensaje original
ADN 3’ TAC TCA AAC ACG ATA ARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU Proteína met ser leu cys tyr C
ADN 3’ TAC TCA AA A CGA TA... ARN 5’ AUG AGU UUU GCU AU Proteína met ser phe ala
ADICIÓN Mensaje original ADN 3’ TAC TCA AC ACG ATA ARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU Proteína met ser leu cys tyr ADN 3’ TAC TCA AA CAC GAT …..A ARN 5’ AUG AGU GUU GUG CUA…..U Proteína met ser val val leu
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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 estructuras operacionales presentes en las células. Los genes expresados incluyen a aquellos que han sido transcritos a mRNA y luego traducidos a proteínas y aquellos que han sido transcritos a RNA pero no traducidos a proteínas (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 DNA controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases de DNA 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 de DNA preexistente. Esto produce un corrimiento del marco de lectura en el proceso de síntesis proteica dando, 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 codifica para una proteína, esta secuencia se transcribe al mRNA pero en un proceso de "corte y empalme" se separa del 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. Modificación hereditaria 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 templados preexistentes, 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, consiste en 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 se traduce en los ribosomas en una secuencia proteica. Se abrevia mRNA. RNA polimerasa: Complejo enzimático que cataliza la síntesis de RNA (transcripción) utilizando como molde la cadena de una molécula de DNA. En eucariontes existen tres RNA polimerasas: la I sintetiza rRNA de gran tamaño; 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.
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Revisión de preguntas oficiales PSU DEMRE con referencia curricular y comentario 1.
Si en una célula se inhibe la transcripción y al cabo de unas horas, sus componentes moleculares se comparan con los de una célula intacta, se constatará que la primera tendrá una menor cantidad de
A) B) C) D) E)
I) ARNt. II) ARNm. III) Proteínas. Solo I Solo II Solo III Solo II y III I, II y III
FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR Módulo Electivo Contenido: Flujo de la información génica. Eje temático: Organización, Estructura y Actividad Celular. Curso: 4º Año Medio. Clave: E Habilidad intelectual medida: Aplicación. Dificultad: Alta; fue contestada correctamente sólo por el 12% de los postulantes. Presentó una omisión del 18%. COMENTARIO: Los resultados obtenidos en esta pregunta muestran un conocimiento parcial de los aspectos fundamentales de un proceso biológico central, como es el flujo de la información biológica. Este flujo es resumido en el dogma central de la biología molecular, que hoy se expresa correctamente como: ADN
ARN
Proteína
De acuerdo a este esquema, el postulante debe saber que la Transcripción corresponde a la síntesis enzimática de un polinucleótido de ARN utilizando como molde una hebra de ADN. En este sentido todos los tipos de ARN (mensajero, transferencia, ribosomal y los pequeños, como los que forman parte de la estructura de la partícula SRP o de la maquinaria de corte y empalme de exones) son generados por Transcripción y por lo tanto, están codificados en genes. Luego el ARNm, el ARNt y el ARNr participan en la Traducción, que es el proceso en donde se determina el orden de aminoácidos de una proteína, que es el principal fenotipo biológico encargado de las funciones vitales. Como se señala en el diagrama, la replicación del ADN y la Transcripción se llevan a cabo gracias a proteínas, lo mismo que el metabolismo de lípidos y glúcidos, los que no aparecen en el diagrama, no obstante ser componentes esenciales de la célula. De acuerdo a esto la Traducción es dependiente de la Transcripción y, en un sentido temporal asincrónico, la Transcripción es dependiente de que se hayan expresado los genes encargados de producir la Transcripción. En resumen, para responder correctamente la pregunta, el postulante debe inferir que un procedimiento que inhibe la Transcripción traerá como consecuencia no sólo una disminución en la cantidad de los distintos tipos de ARN (se debe recordar que las moléculas tienen una vida media finita), sino que también redundará en la no aparición de nuevas proteínas. Como era de esperar, el principal distractor resultó ser la alternativa B, que incluye el tipo de ARN mencionado siempre como principal producto resultante de la Transcripción. 26
2.
Considere las siguientes secuencias de oligonucleótidos: Secuencia 1: 5’ - ACGGCCTTCAAGTCAGG -3’ Secuencia 2: 5’ - ACGGCCTTCAAGGGACT -3’
Si la secuencia 1 de ADN mutó a la secuencia 2 durante el ciclo de vida de una célula, entonces, es correcto afirmar que el nuevo ADN ha sufrido una A) B) C) D) E)
duplicación. inversión. traslocación. deleción. inserción.
FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR Módulo electivo Eje temático: Organización, estructura y actividad celular. Contenido: La relación entre estructura y función de las proteínas estructurales como expresiones de la información genética. Mutaciones, proteínas y enfermedad. Curso: 4 Año Medio. Clave: B. Habilidad cognitiva: Análisis, síntesis y evaluación. Dificultad: Alta.
COMENTARIO: A pesar de que los diversos tipos de cambio que ocurren a nivel genético son tratados a partir del segundo año de enseñanza media y luego el tema se retorna en cuarto año, desde el punto de vista molecular, esta pregunta resultó ser de alta complejidad para los postulantes. Sólo un 13% contestó correctamente y el porcentaje de omisión alcanzó un 31,55% del total. Ello no, refleja directamente un desconocimiento sobre este tema, sino más bien conceptos mal adquiridos o poco aplicados. Esta pregunta fue contestada correctamente (clave B) por aquellos postulantes con más alto puntaje. El distractor C fue el que atrajo mayor cantidad de postulantes, y fue elegido por el segundo grupo de más alto puntaje, lo que denota una posible confusión de los distintos tipos de cambios que pueden ocurrir a nivel genético. El distractor D tuvo menor aceptación dentro del universo de postulantes, lo cual permite inferir que los postulantes supieron descartar un cambio o mutación que involucra una pérdida de cierto segmento en una secuencia.
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3.
Después de agregar un compuesto C a un cultivo celular, se hicieron mediciones, en distintos tiempos, de los niveles intracelulares de ADN (curva 1), ARN mensajero (curva 2) y proteínas (curva 3), como se muestra en el gráfico: 2 s a i r a r t i b r a s e d a d i n U
10
1
3
0
Tiempo
De acuerdo con los resultados mostrados en la gráfica, es posible inferir correctamente que el compuesto C A) B) C) D) E)
favorece la transcripción. favorece la duplicación del ADN. inhibe la transcripción. inhibe la traducción. inhibe la síntesis del ADN.
FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR Módulo: Electivo Área / Eje temático: Organización, estructura y actividad celular. Nivel: IV Medio. Contenido: Traducción del mensaje de los genes mediante el flujo de la información genética del gen a la síntesis de proteínas. Habilidad cognitiva: Análisis, síntesis y evaluación. Clave: D. Dificultad: Alta. COMENTARIO Esta pregunta requiere, fundamentalmente, que los estudiantes sean capaces de analizar los resultados de una situación experimental a través de un gráfico, entender los resultados que éste presenta, y a partir de ellos, ser capaces de llegar a algunas conclusiones. Por lo tanto, los postulantes deben hacer uso de las habilidades cognitivas de mayor desarrollo, como son el análisis, síntesis y evaluación de la información entregada. Además, para contestar correctamente, deben también conocer el significado de algunos conceptos, como replicación o duplicación de ADN, transcripción y traducción. El gráfico muestra que el proceso de replicación (curva 1) no es afectado por el compuesto C, por lo tanto se descartan las opciones B) y E). Tampoco se altera la transcripción (curva 2), por lo que las opciones A) y C) son también incorrectas. La curva 3, sin embargo, muestra una caída importante en los niveles de proteínas. Ello significa que el compuesto C está interfiriendo el proceso de traducción, por lo que la opción D) es correcta. La pregunta resultó de alta dificultad, ya que sólo el 13% de los postulantes respondió la clave. El alto porcentaje de omisión con el cual resultó la pregunta, que alcanzó el 63,5%, indica la falta de manejo de los contenidos por parte de los postulantes, y a la vez, la carencia del desarrollo de las habilidades cognitivas anteriormente mencionadas.
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