Introducción Descubrimiento de la relación gen-proteína El trabajo de Garrod sobre errores congénitos del metabolismo proporcionó evidencia de que los genes especifican proteínas. Garrod estudió una rara enfermedad genética llamada alcaptonuria y supuso que a las personas que padecían esta enfermedad les faltaba la enzima que normalmente oxida el acido homogentísico. Beadle y Tatum expusieron las esporas de Neurospora a rayos X o a radiación ultravioleta para inducir cepas mutantes, y después identificaron cepas que portaban una mutación que impide a los mohos producir un químico esencial para el crecimiento. Su trabajo reveló que cada cepa mutante tuvo una mutación en sólo un gen y que cada gen sólo afectó a una enzima.
Flujo de información del DNA a la proteína: resumen general El proceso mediante el cual la información codificada en el ADN especifica las secuencias de aminoácidos en proteínas implica transcripción y traducción. Durante la transcripción, se sintetiza una molécula de ARN complementaria a la cadena molde de ADN (codificante). Las moléculas del ARN mensajero (ARNm) contienen información que especifica las secuencias de aminoácidos de cadenas polipeptídicas. Durante la traducción, se sintetiza una cadena polipeptídicas especificada por el ARNm. Cada secuencia de tres bases nucleótidos en el ARNm constituye un codón, que especifica un aminoácido en la cadena polipeptídicas, o una señal de inicio o de parada. La traducción requiere ARNt y maquinaria celular, incluyendo ribosomas.
El RNA, diferencias con el DNA • Al igual que el ADN, el ARN está formado de subunidades nucleótidos. Sin embargo, en el ARN cada subunidad contiene el azúcar ribosa, una base (uracilo, adenina, guanina, o citosina) y tres fosfatos. Al igual que el ADN, las subunidades de ARN están covalentemente unidas por acoplamientos 5’ 3’ para formar una estructura estructura alternante de azúcar fosfato.
• Las ARN polimerasas, implicadas en la síntesis de ARN, tienen muchas similitudes con las ADN polimerasas implicadas en la replicación de ADN. Ambas enzimas realizan la síntesis en la dirección 5’ 3’. Ambas utilizan nucleótidos con tres grupos fosfato como sustratos, sustratos, removiendo dos de los fosfatos conforme los nucleótidos son covalentemente acoplados al extremo 3’ de la cadena recién sintetizada.
• Así como las cadenas emparejadas de ADN son antiparalelas, la cadena molde del ADN (codificante) y su cadena de ARN complementaria son antiparalelas. Como resultado, la cadena molde de ADN ADN (codificante) se lee en su dirección 3’ 5’, mientras que el ARN se sintetiza en su dirección 5’ 3’.
• Las mismas reglas de emparejamiento de bases son seguidas como en la replicación de ADN, excepto que el uracilo se sustituye por timina.
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Tipos de RNA • RNA mensajero (mRNA), una forma no muy estable que transporta información proveniente del DNA en el núcleo de la célula hacia los ribosomas de la célula. Transporta la información genética necesaria para la síntesis de una proteína específica; sin embargo, otras formas de RNA son necesarias para completar este proceso.
• RNA de transferencia (tRNA), transfiere aminoácidos a los ribosomas para la síntesis de proteínas. Es una forma relativamente pequeña de ácido ribonucleico conformada por aproximadamente 73 a 93 nucleótidos.
• RNA ribosomal (rRNA), es relativamente grande y reside en los ribosomas. Tiene una influencia directa en la síntesis de proteínas. Esta forma de RNA también tiene componentes proteicos. Existen 3 tipos de rRNA (23s, 16s, y 5s), los cuales están presentes en cada ribosoma.
Transcripción Así como las dos cadenas emparejadas del ADN son antiparalelas, la cadena codificante del ADN y la cadena del ARN complementaria también son antiparalelas. Por lo tanto, cuando ocurre la transcripción, conforme el ARN ARN se sintetiza en su dirección 5’ 3’, el código del ADN se lee en su dirección 3’ 5’.
Tipos de RNA polimerasa En la transcripción eucariota, la mayor parte de la síntesis de ARN requiere una de las tres ARN polimerasas, enzimas que están presentes en todas las células. Las tres ARN polimerasas difieren en los tipos de síntesis de ARN que catalizan:
• La ARN polimerasa I cataliza la síntesis de varias clases de moléculas de ARNr que son componentes del ribosoma.
• La ARN polimerasa II de ARN cataliza la producción del ARNm codificante de proteína. la s moléculas de ARNr. • La ARN polimerasa III cataliza la síntesis de ARNt y una de las
Promotor e iniciación En bacterias y eucariotas, aquella secuencia nucleótida en el ADN a la que se unen inicialmente la ARN polimerasa y las proteínas asociadas se le llama promotor. Como el promotor no está transcrito, la ARN polimerasa se mueve más allá del promotor para empezar la transcripción de la secuencia del ADN que codifica la proteína. Una vez que la ARN polimerasa ha reconocido al promotor correcto, desenrolla la doble hélice hé lice del ADN e inicia la transcripción.
Elongación y terminación La terminación de la transcripción ocurre por diferentes mecanismos en bacterias y eucariotas. En las bacterias, la transcripción se detiene al encontrar la secuencia de terminación. Cuando la ARN polimerasa llega a la secuencia de terminación, libera el ADN codificante y la nueva cadena del ARN.
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En las células eucariotas, la ARN polimerasa agrega nucleótidos a la molécula de ARNm después de que pasa la secuencia de terminación. El extremo 3’ del ARNm queda separado de la ARN polimerasa cerca de 10 a 35 nucleótidos después de la secuencia de terminación.
Limpieza del mRNA (Splicing) En muchos genes eucariotas, las regiones codificantes, llamadas exones, son interrumpidas por regiones no codificantes, llamadas intrones. Los exones e intrones son transcritos, pero los intrones son posteriormente eliminados del pre-ARNm original, y los exones son empalmados juntos para producir una continua secuencia codificante para el polipéptido. Para que el pre-ARNm se transforme en un mensaje funcional, debe tener caperuza y una cola de poliA, los intrones son removidos y los exones se empalman para formar un mensaje codificante de proteína continuo. En las eucariotas, la copia original, llamada ARNm precursor, o pre-ARNm, se modifica en diversas formas mientras permanece en el núcleo. Esa modificación postranscripcional y las actividades de procesamiento producen ARNm maduro para transporte y traducción. Las regiones no codificantes dentro del gen se llaman intrones (secuencias in terpuestas), terpuestas), como opuestas a exones (secuencias ex presadas), presadas), que son partes de la secuencia codificante para proteína. Posterior al procesamiento del pre-ARNm, el ARN maduro se transporta a través de un poro nuclear hasta el citosol donde un ribosoma realiza su traducción.
Traducción La traducción requiere el funcionamiento coordinado de más de 100 tipos de macromoléculas, incluyendo la proteína y los componentes ARN de los ribosomas, ARNm, y los aminoácidos unidos a los ARNt. Estos enlaces unen a los grupos amino y carboxilo de aminoácidos adyacentes. El proceso de traducción asegura tanto la formación de enlaces peptídicos como la unión de los aminoácidos en la secuencia correcta que especifican los codones en el ARNm. Los ARN de transferencia (ARNt) son las moléculas “decodificantes” en el proceso de traducción. Cada molécula de ARNt es específica para sólo un aminoácido. Una parte de la molécula de ARNt contiene un anticodón que es complementario a un codón de ARNm. Adherido a un extremo de la molécula de ARNt está el aminoácido determinado por el codón de ARNm complementario. Cada ribosoma está hecho de una subunidad grande y una pequeña; cada subunidad contiene ARN ribosómico (ARNr) y muchas proteínas. Los ribosomas acoplan los ARNt a sus propios codones en el ARNm, y catalizan la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos, y reordenan cromosómicamente al ARNm para que pueda leerse el próximo codón. La iniciación es la primera etapa de la traducción. Los factores de iniciación se unen a la subunidad ribosómica menor, que a su vez se une al ARNm en la región de AUG, el codón iniciador. El iniciador ARNt se une al codón iniciador, seguido por la unión a la subunidad ribosómica grande. La elongación es un proceso cíclico en el cual los aminoácidos son agregados uno por uno a la cadena polipeptídicas en crecimiento. La elongación procede en la dirección 5’ 3’ a lo largo del ARNm. Terminación, la etapa final de la traducción, ocurre cuando el ribosoma llega a uno de los tres codones de parada. El sitio A se une a un factor de liberación, que desencadena la liberación de la cadena polipeptídicas completada y la disociación de la estructura de traducción.
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tRNA y aminoácidos El ADN contiene genes que se transcriben para formar los ARNt. Cada tipo de molécula ARNt se une a un aminoácido específico. Los aminoácidos se unen covalentemente a sus respectivas moléculas de ARNt mediante enzimas, llamadas aminoacil-ARNt sintetasas, que utilizan ATP como fuente de energía. Los complejos resultantes, llamados aminoacil ARNt, se unen a la secuencia codificante ARNm a fin de alinear los aminoácidos en el orden correcto para formar la cadena polipeptídica. Los ARNt son cadenas polinucleótidas de 70 a 80 nucleótidos de largo, cada una con varias secuencias de bases únicas y también con algunas secuencias que son comunes a todas. A pesar de ser considerablemente más pequeñas que las moléculas de ARNm o ARNr, las moléculas de ARNt presentan una estructura complicada. El emparejamiento de bases complementarias dentro de cada molécula de ARNt, provoca su doblamiento hacia atrás y su plegamiento. Por causa de esto, se forman tres o más lazos de nucleótidos no emparejados, uno de los cuales contiene el anticodón. El sitio de unión para el aminoácido está en el extremo 3’ de la molécula. El grupo carboxilo del aminoácido se une covalentemente al grupo hidroxilo 3’ expuesto del nucleótido terminal, dejando libre al grupo amino del aminoácido para participar en la formación de enlaces peptídicos. En el ARNt el patrón para plegarse se mantiene a una distancia constante entre el anticodón y el aminoácido, permitiendo un posicionamiento preciso de los aminoácidos durante la traducción.
Ribosomas Los ribosomas consisten en dos subunidades, ambas hechas de proteína (casi el 40% del peso) y de ARNr (60% del peso). A diferencia del ARNm y ARNt, el ARNr tiene funciones catalíticas y no transfiere información. Las proteínas ribosómicas no parecen ser catalíticas pero contribuyen a la estructura global y estabilidad del ribosoma. La subunidad mayor contiene una depresión sobre una superficie en la cual encaja la subunidad pequeña. Durante la traducción, el ARNm encaja en un surco entre las superficies de contacto de las dos subunidades. El ribosoma tiene cuatro sitios de enlace, uno para el ARNm y tres para los ARNt. Así, el ribosoma mantiene el molde de ARNm, las mo- léculas de aminoacil ARNt, y la cadena de polipéptidos en crecimiento en la correcta orientación para que el código genético se pueda leer y formar el siguiente enlace peptídico. Las moléculas de ARN de trans- ferencia se adhieren a tres depresiones en el ribosoma, los sitios de unión A, P y E El sitio P, o sitio peptidilo, llamado así porque el ARNt sostiene la cadena polipeptídica en crecimiento que ocupa el sitio P. El sitio A se llama sitio aminoacil porque el aminoacil ARNt que entrega el siguiente aminoácido en la secuencia se une en esta ubicación. El sitio E (por exit : salida) es en donde los ARNt que han cedido sus aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento salen del ribosoma.
Proceso de traducción La iniciación de la traducción utiliza proteínas llamadas factores de iniciación, que se adhieren a la subunidad ribosómica pequeña. El ARNt que transporta el primer aminoácido del polipéptido es el iniciador ARNt. El aminoácido metionina se une al iniciador ARNt, y como resultado, el primer aminoácido en los nuevos polipéptidos es metionina.
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El complejo de iniciación se completa cuando se une la subunidad ribosómica grande a la subunidad pequeña y se liberan los factores de iniciación residuales.
Código genético El código genético se lee del ARNm como una serie de codones que especifican una sola secuencia de aminoácidos. El código genético es redundante porque algunos aminoácidos son especificados por más de un codón. Sólo unas pocas variaciones menores son excepciones al código genético que se encuentra en todos los organismos, sugiriendo firmemente que todos los organismos son descendientes de un ancestro común.
Variaciones de la expresión génica A diferencia de los procesos en células eucariotas, la transcripción y la traducción están acopladas en las células bacterianas. Los ribosomas bacterianos se unen al extremo 5’ del ARNm en crecimiento e inician la traducción antes de que el mensaje esté completamente sintetizado. Cerca de 15 ribosomas pueden unirse a un solo ARNm, formando un polirribosoma.
• El ARN de interferencia (ARNi) ocurre cuando pequeñas moléculas de ARN, como los ARN interferentes pequeños (ARNip) y los microARN (miARN) interfieren con la expresión de genes o sus ARN transcritos.
• Los retrovirus son virus que sintetizan ADN a partir de un molde de ARN. En los retrovirus el flujo de información genética es invertido por la enzima transcriptasa inversa. El HIV-1, el virus que causa el SIDA, es un retrovirus.
Mutaciones Una sustitución de pares de base es una mutación que puede alterar o destruir la función de una proteína si un codón cambia de manera que especifique un diferente aminoácido (una mutación de sentido erróneo o equivocado) o se convierte en un codón de parada (una mutación sin sentido). La inserción o eliminación de uno o más pares de bases en un gen invariablemente destruye la función de esa proteína lo que resulta en una mutación del cambio del marco de lectura, que cambia el codón de secuencias descendientes de la mutación. Un tipo de mutación es causado por secuencias de ADN móviles, conocidas como transposones, que “saltan” en medio de un gen. Muchos transposones son retrotransposones, que se replican formando un ARN intermedio; la transcriptasa inversa los convierte a su original secuencia de ADN antes de que salten en un gen.
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Bibliografía: • Biología • • •
Novena edición Eldra P. P. Solomon/Linda R. Berg/ Diana W. Martin Biochemistry For Dummies® Published by b y Wiley Publishing, Inc. 111 River St. Hoboken, NJ 07030-5774 http://medmol.es/temas/66/ http://www.dnalc.org/resources/3d/central-dogma.html
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