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Dogma Central de La Biología Molecular
Dogma Central de La Biología Molecular
La síntesis de proteínas constituye la función de la mayor parte de los genes. Dicho en otros términos, los genes corresponden, generalmente, a secuencias de ADN que codifican para proteínas, o simplemente, secuencias codificantes.
Por esta razón, muchas veces se define a los genes como segmentos de ADN que contienen la información para dirigir la síntesis de una proteína. No obstante, cabe señalar que esta definición es imprecisa, pues hay muchos genes que no presentan dicha función. Existen, por ejemplo, genes reguladores de la expresión de otros genes. También hay genes que tienen la información para codificar moléculas de ARN que no son molde para la síntesis de proteínas, como veremos más adelante. De todas formas, la definición de los genes como secuencias codificantes es una de las más ampliamente usadas y es muy útil al tratar el principal tema de esta clase: la expresión génica.
Para entender la función codificante de los genes, primero hay que recordar la relevancia de las proteínas en todos los sistemas vivientes. Estos polímeros forman la mayor parte de las estructuras celulares y extracelulares. Todo en las células parece estar hecho de proteínas. Lo anterior se conoce como la función estructural de las proteínas. Por otra parte, todo el metabolismo celular está dirigido por enzimas, que son proteínas capaces de catalizar (hacer posible) reacciones químicas que no pueden ocurrir de manera espontánea, sin ayuda de estas moléculas. Esta capacidad corresponde al papel funcional de las proteínas. También hay muchas proteínas no enzimáticas con un papel metabólico, como por ejemplo los canales de membrana, los receptores y los inductores (como ciertas hormonas).
En definitiva, la síntesis de las proteínas es un proceso clave dentro de la célula, el cual está finamente regulado. Cada proteína es sintetizada bajo condiciones más o menos definidas, ya sea a lo largo del desarrollo del individuo o bien, como respuesta a estímulos endógenos o exógenos.
Por lo tanto, el papel de los genes, o del genoma en términos más generales, es constituir la fuente de información para la síntesis de proteínas. De manera general, la síntesis de proteínas presenta al menos dos etapas. Primero, la trascripción de los genes, esto es, la síntesis de moléculas de ARN mensajeros (ARNm) que son producidos gracias a la “lectura” del ADN. Los ARNm son luego utilizados en la traducción, segunda etapa de este proceso, que consiste en la “lectura” de cada ARNm para producir una proteína específica. Por lo tanto, durante la síntesis de proteínas, la información genética es traspasada desde los genes (ADN), al ARNm y, finalmente, los ARNm son leídos para sintetizar proteínas.
En el ser humano, existen alrededor de 30.000 proteínas diferentes, cada una con una función específica. Cada tipo celular puede presentar un subconjunto de esas 30.000 proteínas.
Supongamos, por ejemplo, un tipo celular X que presenta, normalmente, 10.000 proteínas diferentes. Estas constituyen, entonces, lo que se conoce como transcriptoma: El conjunto de proteínas que se expresan en un tipo celular determinado. A su vez, cada una de esas 10.000 proteínas está presente en cantidades más o menos específicas para cada tipo celular y de acuerdo a las condiciones fisiológicas. Mientras algunas proteínas presentan unas pocas decenas de copias en una célula, otras están representadas miles de veces.
Las condiciones fisiológicas modifican drásticamente el patrón de proteínas que se expresan en una célula. Por ejemplo, podemos encontrar diferencias en la expresión de los genes (es decir diferencias en el conjunto de proteínas) dependiendo, por ejemplo, de si el individuo ha ingerido alimentos recientemente o si se encuentra en ayunas. Las diferencias en el set de proteínas de las células son cualitativas (qué proteínas se sintetizan) y cuantitativas (cuánta proteína se sintetiza). Las diferencias cuantitativas y cualitativas dependen, en resumen, de varios factores. Podemos encontrar diferencia entre células de diferentes especies (diferencias interespecíficas), diferencias entre organismos de la misma especie (diferencias intraespecíficas), diferencias entre tipos celulares, diferencias entre células en diferentes etapas del desarrollo, diferencias debidas a diferentes condiciones fisiológicas, etc.
Que una proteína específica se sintetice o no, depende de estímulos dentro de la célula que dirigen la expresión de los genes. La expresión génica consiste, simplemente, en la producción de proteínas a partir de los genes. La expresión de los genes determina la composición cualitativa y cuantitativa de proteínas en las células. Que una célula del hígado (hepatocitos) sea diferente estructural y funcionalmente a una neurona, depende de cuáles genes se han expresado en cada una de ellas. Que un ser humano comparta similitudes y a la vez, muestre diferencias respecto de un chimpancé, depende de los genes que estas especies comparten entre sus genomas (muchos más de los que se creía) y de cómo se expresan esos genes durante el desarrollo de los organismos. Como puedes ver, los genes y su expresión son aspectos centrales no solo del funcionamiento celular, sino también del metabolismo del organismo completo, del desarrollo y de la evolución de las poblaciones y las especies.
En esta clase, estudiaremos principalmente, la expresión y replicación de la información genética, lo que se conoce como “El dogma de la biología molecular”. Bajo ese título se identifican los procesos que sufre el material genético en la célula: su replicación (ADN se copia a sí mismo), trascripción (síntesis de ARN a partir de ADN) y traducción (Síntesis de proteínas a partir de ARN).
Procesos que sufre el material genético en su expresión y en su replicación.La replicación y la transcripción ocurren en el núcleo de las células eucariontes, mientras que la traducción ocurre en el citoplasma. En los procariontes todos estos procesos ocurren en el citoplasma, pues estos organismos carecen de núcleo.
Estructura de la doble hebra del ADN. En http://es.wikipedia.org/wiki/ADN puedes encontrar una buena descripción del modelo estructural del ADN.www.prodiversitas.bioetica.org
www.filomusica.com
Los procesos de expresión génica y replicación ocurren en compartimentos especializados en los genomas eucariontes.
Estructura de ADN y ARN.
http://www.maph49.galeon.com/arn/dvsrna.gif -
Trascripción: Síntesis de ARNm
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El código genético
El código genético
¿Cómo está escrita la información en las secuencias de ADN? En una secuencia de ADN existen “palabras” formadas por la combinación de los cuatro nucleótidos (A, T, C y G). Cada aminoácido está “codificado” por una palabra de tres nucleótidos en el ARNm. A estas palabras de tres “letras” (tres nucleótidos) se les denomina codones. Como cada codón esta formado por tres letras, entonces existen 64 posibles codones, pues hay 64 formas de escribir los trinucleótidos (AAA, AAT…..CCC, etc.). De esta manera, una secuencia de 9 nucleótidos, tal como tgtcgcagc, contiene información para sintetizar una cadena de 3 aminoácidos, es decir un tripéptido. Cada codón determina un solo aminoácido. Como existen solo 20 aminoácidos, cada un o de ellos está codificado por más de un codón. Es decir, existe más de un codón para el aminoácido lisina, por ejemplo, pero el codón UGC codifica solo para un aminoácido: cisteína.
Debido a esta relación de varios codones para un mismo aminoácido, se describe el código genético como redundante o degenerado. Es importante resaltar un error frecuente entre los alumnos, y es que asocian código genético con genoma. La frase “cada ser humano tiene un código genético diferente”, por ejemplo, revela este error. El código genético es el mismo entre todos los seres humanos, incluso es el mismo entre casi todos los animales vertebrados. Es decir, el código genético es más o menos universal.
Código genético. Cada codón codifica un solo aminoácido pero la mayoría de los aminoácidos están codificados por varios codones. El código genético es relativamente universal, existiendo pequeñas diferencias en los genomas de algunos grupos de especies. El genoma nuclear y el genoma mitocondrial de los humanos, por ejemplo, presenta diferencias en el código genético, es decir, en la relación codones-aminoácidos. Sin embargo, el código genético del genoma nuclear del humano y el de las vacas es el mismo.
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Modificación post-traduccional del ARNm
Modificación post-traduccional del ARNm
El ARNm de los eucariontes sufre una serie de modificaciones dentro del núcleo antes de ser transportado al citoplasma; este proceso de cambio se conoce como maduración del ARNm. El ARNm de eucariontes presenta no solo la secuencia de nucleótidos que será leída para sintetizar proteínas, sino que otro tipo de secuencias adicionales. La maduración del ARNm se caracteriza por la eliminación de estos segmentos de la molécula de ARNm. Los segmentos no codificantes más importantes son los intrones, los que son eliminados por enzimas citoplasmáticas. El resto del ARN corresponde a exones, que son los fragmentos que efectivamente son leídos para la síntesis de una proteína. Los exones constituyen la “secuencia codificante”.
A esta etapa de eliminación de los intrones, se le conoce como “corte de intrones y empalme de exones”. Si una molécula de ARNm contiene tres intrones, entonces presenta cuatro exones. La molécula de ARN inmaduro es, entonces, siempre más corta que la molécula de ARNm maduro, debido a que en esta última no hay intrones. Otra modificación post-transcripcional del ARNm incluye la adición de largas secuencias de adenina, denominadas colas poliA en uno de los extremos de la molécula de ARNm. Esta secuencia de 150 a 200 nucleótidos se adiciona en el extremo 3’ de la molécula de ARNm. La presencia de la cola de poliA constituye una señal para transportar la molécula de ARNm desde el núcleo al citoplasma.
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Uno de los cambios que experimenta el ARNm durante su maduración, corresponde al corte de los intrones y empalme de los exones. La otra modificación importante es la poliadenilación, es decir, la adición de una larga secuencia de adenina, de unos 150 a 200 nucleótidos. -
Traducción
Traducción
Luego de la maduración del ARNm esta molécula sirve de molde para la síntesis de una proteína. Este proceso se denomina traducción y constituye la última etapa de la expresión génica. Las “fábricas de proteínas” corresponden a los ribosomas, que son un conjunto de proteínas y ARN organizadas para formar grandes partículas en el citoplasma. El ARN que forma parte de los ribosomas es un tipo especial de ARN, diferente al ARNm, denominado ARN ribosomal (ARNr). Las hebras de ARNm (una por cada gen expresado) se desplazan a través de los ribosomas desde el sitio de inicio hasta el sitio de término. Cada codón del ARNm es leído en el ribosoma, y por cada uno de ellos, se agrega un nuevo aminoácido a la cadena naciente de proteína. El proceso continúa hasta que el ribosoma lee la señal “stop”, que corresponde a uno de los codones de término, incluidos en la tabla del código genético de los genomas nucleares de mamíferos, que se reproduce más arriba.
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Los ribosomas son las fábricas de proteínas de las células. En ellos se produce la lectura del ARNm y, al mismo tiempo, se sintetizan las proteínas. -
El ARN de transferencia
El ARN de transferencia
Los aminoácidos que se incorporan a la cadena naciente de proteína en el ribosoma, se encuentran más o menos dispersos en el citoplasma. El ribosoma presenta un mecanismo que le permite capturar, de manera muy precisa, el aminoácido que corresponde agregar, a medida que se produce la lectura del ARNm. Los ARN de transferencia, o simplemente, ARNt, son las moléculas que sirven de conexión entre el mensaje del ARNm y el aminoácido respectivo. Existen 64 tipos de ARNt, es decir, uno por cada codón, y cada ARNt transporta un aminoácido específico. Un ARNt que se une al codón AUG lo hace a través de una región que contiene la secuencia TAC. Esta secuencia, complementaria al codón, se denomina anticodón. Cada molécula de ARNt contiene un solo anticodón. Por lo tanto, para cada codón en el ARNm existen moléculas de ARNt que contienen un anticodón complementario.
Unión codón-anticodón. Las moléculas de ARNt se unen a un codón a través de una secuencia de trinucleótidos, llamada anticodón. Además del sitio de unión al codón, los ARNt presentan un sitio de unión al aminoácido.Además del anticodón, el ARNt presenta una región a través de la cual se une a un aminoácido específico. ¿A qué aminoácido se une un ARNt? Precisamente a aquel que esté especificado por el codón al que se une el anticodón. Por ejemplo, si una molécula de ARNt presenta un anticodón TAC, se unirá al codón AUG y, al aminoácido metionina, tal como se indica en el código genético. Como existen 64 codones diferentes, existen también 64 moléculas de ARNt, cada una con un anticodón distinto. Mientras la unión codón-anticodón no está catalizada por enzimas, sino que ocurre “espontáneamente”, la unión del aminoácido al ARNt es catalizada por enzimas llamadas, de manera general, peptidil ARNt sintetasas. La lisil ARNt sintetasa, por ejemplo, cataliza la unión del aminoácido lisina al ARNt correspondiente.
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Formación de los enlaces entre los aminoácidos
Formación de los enlaces entre los aminoácidos
Cada vez que se une un ARNt a un codón, se incorpora un nuevo aminoácido a la proteína naciente en el ribosoma, formándose un enlace químico entre el nuevo aminoácido y la cadena polipeptídica ya sintetizada. Si revisas lo que aprendiste acerca de la estructura de los aminoácidos, recordarás que estos presentan un extremo carboxilo (COO) y un extremo amino (NH2). A medida que se va sintetizando una proteína, el último aminoácido deja su extremo NH2 disponible, dentro del ribosoma, para que a través de él se incorpore un nuevo aminoácido.
Posteriormente, el siguiente aminoácido se une al polipéptido, a través de su grupo carboxilo (COO) por medio de un enlace covalente. La reacción entre los grupos COO y NH2 da como resultado la formación de una molécula de agua, por la unión de dos átomos de hidrógeno, del grupo amino (NH2) y un átomo de oxígeno, del grupo carboxilo (COO). Este tipo de enlace covalente, entre dos aminoácidos con liberación de H2O se denomina enlace peptídico.
Al liberarse una molécula de agua, la unión entre dos aminoácidos vecinos queda establecida por un enlace covalente entre CO y N, originándose un grupo CON. La formación de este enlace requiere de la participación de una enzima, denominada peptidil transferasa.
La unión de dos aminoácidos es catalizada por la enzima peptidil transferasa. Esta reacción libera una molécula de H2O. En el esquema los aminoácidos glutamina y metionina han sido unidos en la cadena naciente de proteínas.
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La replicación del ADN
La replicación del ADN
Todas nuestras células contienen, más o menos, la misma información genética, pues esta ha sido heredada de una mima célula, el huevo fecundado. A su vez, este la heredó de los padres. Por lo tanto, hay una continuidad de la información genética a través de las generaciones de organismos y a través de las generaciones celulares dentro de un mismo organismo.
La continuidad de la información genética es el resultado de la replicación, proceso a través del cual el ADN es copiado y luego traspasado a las células hijas. La replicación del ADN es un proceso complejo, en el que nuevas moléculas de ADN son sintetizadas utilizando como “molde” el ADN preexistente. Este siempre ocurre en forma previa a cada división celular y en él participan varias enzimas con diferentes funciones. La replicación del ADN asegura la continuidad de la información genética durante el crecimiento y la reparación de los tejidos.
Cada una de las diferentes etapas de la replicación está controlada por un conjunto diferente de enzimas. En los eucariontes, el proceso se inicia con el desempaquetamiento de los cromosomas, seguido de la unión de las enzimas que inician la replicación propiamente tal. En cada cromosoma, se produce un número limitado de orígenes de replicación, es decir, sitios de los cromosomas en donde la maquinaria de enzimas replicativas comienza a leer y a copiar el ADN molde.
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En los cromosomas humanos se producen, en promedio, unos 50 orígenes de replicación por cromosoma. En el esquema se muestra un origen de replicación en donde enzimas DNA polimerasa están realizando su trabajo, una en la dirección 5´-3´ (hebra adelantada o continua) y otra en la dirección opuesta, 3´-5´ (hebra retrasada). La síntesis en la hebra retrasada solo puede realizarse a lo largo de pequeños fragmentos, llamados fragmentos de Okasaki.La separación de las hebras de ADN se produce gracias a la actividad de una enzima llamada helicasa, originando una estructura en forma de Y denominada horquilla de replicación. Es a través de esta horquilla que se desplazan las enzimas que catalizan la replicación del ADN, las ADN polimerasas. A medida que estas enzimas van sintetizando nuevo ADN, se va formando nuevamente la doble hebra de ADN y la horquilla se va desplazando en dirección al avance de la replicación. Aquella hebra de ADN leída por la ADN polimerasa sirve como molde para la síntesis de una hebra complementaria. Es decir, durante la síntesis de una hebra se adicionan aquellos nucleótidos cuyas bases son complementarias con la secuencia del ADN molde (A con T y G con C).
Debido al gran número de orígenes de replicación, el proceso ocurre simultáneamente en varios puntos, aumentando la velocidad de replicación de un cromosoma completo. Este es un proceso altamente eficiente, pues muchos errores de la replicación son corregidos por las mismas ADN polimerasas, a medida que sintetizan la nueva hebra. Complementariamente, existen varios mecanismos de reparación de los “errores de la replicación” que intervienen una vez que el ADN ha sido replicado. Aunque la reparación de estos errores es altamente efectiva, existen errores que no son reparados. Esta es una de las fuentes de mutaciones que obedecen a factores endógenos. Como se vio en la Clase 2, la etapa G2 del ciclo celular ocurre con posterioridad a la replicación celular. En G2 se reparan muchos de los errores de replicación.
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Alteraciones de la información genética: mutaciones
Alteraciones de la información genética: mutaciones
Las mutaciones corresponden a cambios aleatorios (al azar) del material genético. Han sido clasificadas en dos grandes categorías, aquellas que afectan a cromosomas completos o regiones de ellos y las que afectan a nucleótidos particulares o grupos de nucleótidos. Las primeras se conocen como mutaciones cromosómicas y las segundas, como mutaciones nucleotídicas.
Las mutaciones cromosómicas son de diferentes tipos. Por ejemplo, aquellas que afectan la estructura de los cromosomas se denominan mutaciones estructurales. Ejemplo de estas mutaciones son las deleciones cromosómicas (eliminación de un trozo de cromosoma), las inserciones cromosómicas, las traslocaciones cromosómicas (fusión de un fragmento cromosómico desde un cromosoma a otro), las fusiones (unión de dos cromosomas) y las fisiones (fractura de un cromosoma), entre otras.
También hay mutaciones numéricas, en las que se altera la composición numérica normal de los cariotipos. Estas pueden ser de tipo monosomía (una sola copia de un cromosoma, en vez de los dos que son normales en organismos diploides como nosotros), trisomía, etc. Las mutaciones numéricas pueden afectar a un par de cromosomas o a más de uno, como producto, principalmente, de la incorrecta segregación de los cromosomas homólogos en la meiosis. Cuando ocurren estos errores meióticos, se producen gametos que carecen de un cromosoma y otros que presentan los dos cromosomas homólogos, en vez de uno solo. En el síndrome de Down se presentan tres, en vez de dos cromosomas 21; el síndrome se produce, entonces por la trisomía del par 21.
Las mutaciones nucleotídicas pueden ser de diferentes tipos: las sustituciones (cambio de un nucleótido por otro), las inserciones (inserción de uno o más nucleótidos), deleciones (eliminación de uno o mas nucleótidos), entre las más importantes. Como sabemos, el código genético es redundante, por lo que no todas las sustituciones producen cambios a nivel de las proteínas. A este tipo de sustituciones, se les llama mutaciones (o sustituciones) sinónimas. Por ejemplo, supongamos que un gen, el triplete AAA, sufre una mutación y cambia a AAG. El codón correspondiente es UUU y UUC, ambos codificando para el mismo aminoácido: fenilalanina.
Otras sustituciones en los genes codificantes sí producen cambios en las proteínas, denominándose sustituciones no sinónimas. Cabe señalar que apenas el 5%, o menos, del genoma humano corresponde a genes codificantes y secuencias reguladoras, por lo tanto, muchas mutaciones afectan a la parte del genoma que no participa en la síntesis de proteína. A esta parte del genoma, 95% más o menos, se le ha denominado ADN chatarra. Sin embargo, se discute e investiga el rol de esta acumulación de ADN, aparentemente sin función, en nuestro genoma.
¿Cómo se producen las mutaciones? Existen numerosos factores, endógenos y exógenos, que pueden alterar el material genético, entre ellos: errores de replicación, agentes mutágenos químicos y físicos.
En las páginas
http://es.wikipedia.org/wiki/Mutaci%C3%B3nPodrás encontrar abundante información acerca de las mutaciones y de los factores que las provocan.
www.carolguze.com/ text/442-2-mutations.shtml
Ejemplos de mutaciones nulceotídicas: substitución, deleción, inserción e inversión.
El conocimiento acerca de la función del material genético ha permitido, además, manipular la expresión de genes de manera experimental en diferentes sistemas de laboratorio, tales como bacterias, células animales en cultivo, e incluso en organismos como plantas y animales. Esto ha dado paso a una nueva disciplina, la biotecnología, que busca aplicaciones del conocimiento de la biología molecular para procesos industriales y médicos, principalmente.
En el sitio
http://www.infoagro.com/semillas_viveros/semillas/biotecnologia.htm
Podrás encontrar información acerca de las principales técnicas y aplicaciones de la biotecnología.
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 1
La siguiente secuencia de ADN se encuentra al inicio de un gen
¿Cuál es la hebra de ARN que se sintetizaría a partir de ese segmento de ADN durante la trascripción?
Puesto que las bases de ADN A, T, C y G tienen como bases complementarias en el ARN a U, A, G y C, entonces la hebra de ARN sintetizada en la trascripción del segmento de ADN del ejemplo corresponde a:
Ejercicios
Ejercicio Nº 4
Las siguientes corresponden a las secuencias de los primeros diez aminoácidos de una misma proteína en dos bacterias
De acuerdo a esta información; ¿A cuál(es) de los siguientes cambios en el ADN obedecen las diferencias entre ambas proteínas?
I. Una sustitución
II. Una inserción
III. Una deleción
a) Solo I
b) Solo II
c) Solo III
d) Solo I, II y III
e) Ninguna es correcta
Primero hay que recordar que los aminoácidos pueden escribirse de dos formas, con una letra (como en este ejemplo) o con tres letras. El aminoácido metionina, por ejemplo, puede escribirse como M, o bien como Met. Luego, hay que identificar las diferencias entre ambas secuencias; en este caso una sola, que corresponde al aminoácido 4. Como el código genético es redundante, entonces las secunacias de ADN correspondientes a estos dos fragmentos de proteínas podrían contener muchas diferencias, es decir, substituciones. Por lo tanto, se descarta la alternativa I. Por otra parte, tanto una inserción como una deleción producirían lo que se conoce como “corrimiento del marco de lectura”. Si se ha eliminado, o insertado, un nucleótido: a partir del punto de insercion (o deleción), cambian todos los tripletes y por lo tanto, la proteína codificada. Como las secuencias proteicas de ambas bacterias solo presentan una diferencia, se pueden descartar las alternativas II y III.
Respuesta correcta : Alternativa e
Ejercicio Nº 5
El siguiente esquema representa la replicación del ADN. Los números 1, 2 y 3 indican, respectivamente
a) Helicasa, DNA polimerasa, fragmento de Okasaki
b) Helicasa, fragmento de Okasaki, DNA polimerasa
c) DNA polimerasa, helicasa, fragmento de Okasaki
d) DNA polimerasa, fragmento de Okasaki, helicasa
e) Fragmento de Okasaki, DNA polimerasa, helicasa
La helicasa es la enzima encargada de separar las hebras de ADN, permitiendo el avance de la ADN polimerasa, enzima encargada de leer y copiar el ADN. Los fragmentos de Okasaki corresponden al ADN replicado a “trozos”, en la hebra retrasada.
Respuesta correcta : Alternativa a
Ejercicio Nº 7
El siguiente esquema representa al ARNt del aminoácido serina
¿Cuál es el triplete de ADN correspondiente en la hebra codificante?
a) CGA
b) TCG
c) GCT
d) AGC
e) UCG
Puesto que la secuencia en el anticodón es AGC, entonces el codón
del ARNm debería tener la secuencia complementaria UCG (Recordar que en el
ARN no hay T sino que U en su reemplazo). Luego, como en el ARNm, el codón
es UCG, la secuencia complementaria en el ADN templado debe ser AGC.
Finalmente, como la hebra codificante es complementaria a la hebra templada,
la secuencia de este triplete debería ser complementaria a AGC, por lo
tanto, TCG.
Respuesta correcta : Alternativa b