la replicación o “duplicación” del adn es un proceso que

INSTITUTO CUMBRE DE CONDORES

Corporación de Educación Municipal de Renca

Departamento de Ciencias – Biología. Profesor Rafael González

GUÍA N°2 Unidad 1, Biología Común

Un viaje por el dogma central de la biología molecular

Nombre: Curso: 4° medio

Objetivo de aprendizaje: comprender los procesos bioquímicos que permiten a la célula sintetizar cadenas

polipeptídicas a partir de la informacion codificada en el ácido desoxirribonucleico.

Instrucciones: Lea atentamente la siguiente guía y responda a conciencia las actividades propuestas. Debe

desarrollar el trabajo de forma individual. La fecha de entrega es el día 03 de Julio hasta las 00:00 horas. Puede

hacer entrega de la guía completa o solo las actividades indicando nombre y curso en el asunto del correo. Mail

de contacto [email protected].

1. INTRODUCCIÓN

Un GEN se define como la unidad mínima de información genética. Dicho de otro modo, “Un GEN es el fragmento

más pequeño de una molécula de ADN que posee información completa para un carácter determinado”.

A veces el gen está formado por una secuencia de bases, pero en eucariotas (como nosotros), es frecuente que un

gen esté constituido por varios fragmentos de ADN separados por secuencias sin sentido que no codifican proteínas.

A las partes con sentido, que sirven para fabricar la proteína, se les llama EXONES y a las partes sin sentido,

intercaladas en el gen, INTRONES, los cuales deben ser eliminados tras la transcripción.

Los genes se encuentran en la cromatina. Los filamentos de cromatina, al condensarse forman los cromosomas

(durante la división celular).

Los Cromosomas pueden ser definidos como un conjunto de genes unidos o GENES LIGADOS, que son aquellos

que se heredan juntos (si no se da recombinación genética). En esencia, un gen es una secuencia de nucleótidos que

codifica para una proteína determinada, según la hipótesis UN GEN = UNA PROTEÍNA.

Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, es decir, el fenotipo de un individuo. La transmisión y

expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el "Dogma Central de la Genética

Molecular", que son: Replicación, Transcripción y Traducción.

La replicación o “duplicación” del ADN es un

proceso que ocurre cada vez que una célula se

divide, ya sea por mitosis o meiosis, y que asegura

que las hijas tengan la misma cantidad de material

genético que la célula progenitora (mitosis) o la

mitad de esta información (meiosis).

La replicación ocurre en un momento determinado

del ciclo celular (o ciclo de vida de la célula),

llamado fase S, donde la cantidad de ADN normal

de la célula (2c) pasa a ser el doble (4c). Sin

aumento del número de cromosomas.

mailto:[email protected]




2. El problema del “como”… Modelos de Replicación

Cuando Watson y Crick propusieron el modelo de la Doble Hélice, en 1953, indicaron que dicho modelo sugería

una forma sencilla de replicación. El modelo de replicación propuesto por Watson y Crick suponía que el ADN

doble hélice separa sus dos hebras y cada una sirve de molde para sintetizar una nueva hebra siguiendo las reglas

de complementariadad de las bases nitrogenadas. Dicho modelo recibion el nombre de Semiconservativo, ya que

las dos dobles hélices recién sintetizadas poseen una hebra vieja (una mitad vieja) y otra hebra nueva (mitad nueva).

Frente al modelo Semiconservativo propuesto por Watson y Crick (1953) se postularon otros posibles modelos de

replicación del ADN, uno de ellos se denominó Modelo Conservativo y otro Modelo Dispersivo.

Modelo Conservativo: cuando el

ADN doble hélice se replica se

producen dos dobles hélices, una de

ellas tienen las dos hebras viejas

(esta intacta, se conserva) y la otra

doble hélice posee ambas hebras de

nueva síntesis.

Modelo Dispersivo: Cuando el

ADN doble hélice se replica se

originan dos dobles hélices, cada

una de ellas con hebras que poseen

tramos viejos y tramos de nueva

síntesis en diferentes proporciones.

Meselson y Stahl (1957) disenaron un experimento para tratar de averiguar la forma en la que se realiza la

replicación del ADN en E. coli, es decir, la pregunta que se plantearon fue: ¿Que modelo de replicacion del

ADN sigue E. coli?. Para contestar a esta pregunta, disenaron un experimento en el que marcaban el ADN de la

bacteria E. coli con Nitrógeno pesado N15, para ello hicieron crecer las bacterias durante 14 generaciones sucesivas

en un medio que contenía como unica fuente de Nitrógeno N15, por eso sus bases nitrogenadas tenian nitrógeno

pesado solamente.

Posteriormente, comprobaron

que podían distinguir el ADN

del las bacterias que crecían en

un medio normal (N14) del

ADN de las bacterias que

habían crecido durante 14

generaciones en N15. Para ello

extrajeron el ADN de ambos

tipos de bacterias y lo

centrifugaron en un gradiente

de densidad de CsCl. El

resultado fue que la densidad

del ADN de las bacterias que

habían crecido en presencia de

N15 era mayor que el ADN de

las bacterias que habían

crecido con N14.




Una vez comprobado que eran capaces de distinguir el ADN de ambos tipos de bacterias, continuaron el

experimento de la siguiente forma: Las bacterias que habían estado creciendo en Nitrógeno pesado (N15) las pasaron

a un medio de cultivo que contenía N14 (Nitrógeno normal) y a distintos tiempos, media generación, una generación,

dos generaciones, tres generaciones de replicación, tomaban una muestra del cultivo bacteriano, extraían el ADN y

centrifugaban en gradiente de densidad de CsCl.

Después de una generación obtuvieron una marca intermedia entre la densidad del ADN con N14 y N15. Luego de

dos generaciones obtivieron dos marcas (con una relacion 1:1); una intermedia con N14 y N15 y otra marca solo con

N14. A la tercera generación la relacion entre la marca de ADN liviano y la marca de ADN mixto fue de 3:1.

El experimento de Meselson – Stahl demostró que:

La replicación del ADN es semiconservativa

Cada nueva molécula de ADN se constituye de una hebra parental y una hebra recientemente

sintetizada.

3. LA REPLICACIÓN

Es el primer proceso necesario para la transmisión de la información genética de una célula a otra. Este proceso se

refiere a la duplicación, es decir, la realización de una copia que pueda ser transportada hacia las células hijas y

ocurre en la Fase S del ciclo celular.

Para que se lleve a cabo la replicación del DNA en las células se requieren los siguientes elementos:

• ADN original: que servirá de molde para ser copiado.

• Topoisomerasas: enzimas responsables de desenrrollar las hebras de la doble hélice.

• Helicasas: enzimas responsables de separar las hebras de la doble hélice.

• ADN-polimerasa III (procarionte): responsable de la síntesis del ADN.

• ARN-polimerasa: fabrica los cebadores, pequeños fragmentos de ARN que sirven para iniciar la síntesis de ADN.

• ADN-polimerasa I (procarionte): responsable de la retirar los cebadores de ARN y rellenar los espacios con ADN.

• ADN-ligasa: une fragmentos de ADN.

• Desoxirribonucleótidos trifosfato: que se utilizan como fuente de nucleótidos y además aportan energía.

• Ribonucleótidos trifosfato: para la fabricación de los cebadores.




Aunque existen algunas variaciones entre procariotas y eucariotas (resaltando las diferencias estructurales y

funcionales de las ADN polimerasas), el mecanismo básico de replicación de ADN es bastante similar:

• Iniciacion:

El ADN se desenrolla y se separan las dos hebras de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre

bases complementarias, por la acción de helicasa. La topoisomerasa avanza con la helizaca evitando el

sobreenrrollamiento de la hélice. En procariontes solo existe un sitio de abertura de la doble hebra por que el ADN

es circular.

En el ADN eucariota (que es lineal), se producen muchos desenrollamientos a lo largo de la molécula, formándose

zonas de ADN abierto. Estas zonas reciben el nombre de HORQUILLAS O BURBUJAS DE REPLICACIÓN, que

es donde comenzará la síntesis. Las hebras se mantienen abiertas con la ayuda de las proteinas de cadena simple o

SSBp.

La ARN-polimerasa fabrica pequeños fragmentos de ARN complementarios del ADN original. Son los llamados

"primers" o cebadores de unos 10 nucleótidos, a los cuáles se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la ADN-

polimerasa sólo puede anadir nucleótidos a un extremo 3’ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma.




• Elongación:

La ADN-polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3' (sentido 5'-3'), tomando como molde la

cadena de ADN preexistente, alargándose la hebra.

En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en

que se abre la horquilla de replicación, la llamada HEBRA CONTINUA, y la otra que se conoce como HEBRA

RETARDADA, que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados FRAGMENTOS DE OKAZAKI, ya que

se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla.

• Finalización:

Luego de formadas las nuevas hebas (tanto continua como retardada), actúa la ADN polimeraza I, que elimina los

cebadores de ARN y agrega en esos espacios desoxirribonucleótidos. Finalmente, la ADN-ligasa va uniendo todos

los fragmentos de DNA. A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos se origina la doble

hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de DNA, con una hebra antigua y otra

nueva.

PARA MAS DETALLES DEL

PROCESO RECOMIENDO

REVISAR EL SIGUIENTE

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4. TRANSCRIPCIÓN

La transcripción del ADN es un mecanismo fundamental para el control celular y para la expresión de la información

genética. Este mecanismo permite que la información del ADN llegue al resto de organelos celulares y salga del

núcleo en el caso de los eucariotas. Para ello esa información debe copiarse en forma de ARN.

La TRANSCRIPCIÓN es el proceso de copia de un gen o fragmento de ADN utilizando ribonucléotidos y

originándose diferentes tipos de ARN. El proceso es similar al de la replicación, con la diferencia de las enzimas y

los precursores necesarios.

Características del proceso:

Se conoce como un proceso selectivo porque reconoce una región de inicio y termino en la molécula de

ADN.

Una región concreta de ADN (gen) puede ser transcrita una infinidad de veces, dando lugar a múltiples

moléculas iguales de ARN y sus respectivas proteínas.

Es un proceso conservador de la molécula de ADN; no daña el ADN.

Se realiza solo utilizando una de las dos hebras de ADN. Hebra molde: funciona como molde para la

síntesis de ARN (3´ 5´). Hebra complementaria (no molde): no transcribe para ARN.

La copia de ARN se sintetiza en dirección 5´ 3´ (SIEMPRE)

Elementos que intervienen:

Para que se lleve a cabo la transcripción del ADN en las células se requieren los siguientes elementos:

ADN original que servirá de molde para ser copiado.

ARN-polimerasa II (procarionte): sintetiza el ARN a partir del molde del ADN.

Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia (ATP, UTP, CTP y GTP).

Poli-A polimerasa, ribonucleoproteina pequeña nuclear, ARN-ligasa.

La enzima que participa (ARNpol II) no requiere

de un cebador.

El punto de inicio viene “senalado” en el ADN por

unas secuencias concretas denominadas promotores

(Caja TATA en procariontes).

A lo largo del proceso se forma una doble hélice

entre el ADN y el ARN en formación, que recibe el

nombre de híbrido ADN-ARN.

Desenrollamiento

Enrollamiento

Horquilla de Transcripción

ADN

ARN

Hebra molde

Hebra no molde

ARNpol II

Sitio Activo Híbrido

ARN-ADN

8 pb

Dirección de Transcripción




Mecanismo:

Al igual que en la replicación, existen diferencias entre procariotas y eucariotas, siendo las principales, la existencia

de varias ARN-polimerasas en eucariotas y, sobre todo, la necesidad de que se produzca una "maduración", un

procesamiento de algunos ARNs debido a la existencia de los intrones. El proceso se divide en tres etapas:

• Inicio: La ARN-polimerasa se une a una zona del ADN

previa al ADN que se quiere transcribir (Caja TATA). A

continuación se corta la hebra de ADN y se separan las

dos cadenas, iniciándose el proceso de copia del ADN a

transcribir; esta copia no requiere ningún cebador. Los

ribonucleótidos se añaden en sentido 5'-3'. En el caso de

la transcripción de un gen que codifica para una proteína,

la ARN-polimerasa se une a una zona de control

denominada PROMOTOR, que regula la actividad de la

ARN-polimerasa y, por tanto, regula la expresión del gen.

Elongación: La ARN-polimerasa continúa añadiendo

ribonucleótidos complementarios al DNA hasta que se

llega a una determinada secuencia que indica a la

polimerasa el final de la zona a transcribir. Cuando ya se

han anadido unos 30 ribonucleótidos, en el extremo 3’ se

une un nucleótido modificado de 7-metil guanosina, que

forma lo que se denomina la “caperuza”, el “casquete” o

el extremo “Cap”.

• Término: La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos

de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea

destruido por las nucleasas celulares.

• Maduración de los productos de la transcripción (splicing): Se da en el núcleo de eucariotas y la realiza

la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), eliminando los intrones del RNA y quedando los

exones libres para ser unidos por una RNA-ligasa.




5. TRADUCCIÓN

El paso fundamental para que los seres vivos puedan existir, vivir, pertenecer a una especie, funcionar, etc. radica

en que la información genética, que es una secuencia de bases nitrogenadas encerrada en los nucleótidos del ADN,

se convierta en moléculas activas capaces de fabricar materia, producir y gastar energía, hacer funcionar el

metabolismo, fabricar células y tejidos, etc.; estas moléculas están constituidas por aminoácidos, y son las

PROTEÍNAS.

La TRADUCCIÓN es el proceso de síntesis de cadenas

polipeptídicas, llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la

información aportada por el ARN mensajero que es, a su vez,

una copia de un gen. Las proteínas de los seres vivos se

fabrican en los RIBOSOMAS, organelos celulares que se

encuentran en el citoplasma de los eucariotas, asociados al

retículo endoplasmático rugoso. Los ribosomas son

nucleoproteínas, con la particularidad de que están formados

por una asociación de proteínas y un ARN especial que es el

llamado ARN-ribosómico. Este ARN, como todos los ARN,

se fabrica en el núcleo celular mediante la transcripción de

una región determinada de ese ADN.

En el proceso de traducción intervienen de forma

fundamental los tres tipos más frecuentes de ARNs, cada uno

con una función complementaria para llevar a cabo de forma

conjunta el proceso:

• ARN-mensajero (ARN-m): es el encargado de transportar la información genética desde el núcleo hasta los

ribosomas con el fin de que pueda ser expresada en forma de proteínas.

• ARN-ribosómico (ARN-r): forma parte esencial de las dos subunidades que constituyen los ribosomas.

• ARN-transferencia (ARN-t): juega un papel fundamental transportando a los aminoácidos hasta los

ribosomas en el orden correcto en que deben unirse para formar una proteína determinada, según la

información genética.

Los ARN-t Los RNA-t son cadenas cortas de ribonucleótidos plegadas en

el espacio de tal forma que se produce apareamiento entre bases

complementarias que quedan próximas. Se origina así una

configuración espacial en forma de "hoja de trébol", con cuatro

brazos o bucles de RNA no apareado:

• Brazo aceptor: formado por los extremos 3' y 5' de la

cadena que se encuentran próximos. En el extremo 5' es donde

se unirá el aminoácido que debe ser transportado hasta el

ribosoma.

• Brazo aminoacil ARNt sintetasa o TFIC: interacciona

con la enzima que une al ARNt con su aminoácido específico.

• Brazo anticodón: Es el más importante porque su

anticodón se une a codones especificos de ARNm. El anticodón

es una secuencia de tres bases complementaria de un codón o triplete de bases de un ARNm.




Los aminoácidos se unen al extremo 3'-del

ARNt, formando un aminoacil-ARNt. Las

enzimas que lo realizan requieren ATP y son

conocidas como aminoacil-ARNt sintetasas.

Aminoacil-ARNt sintetasas presentan una alta

fidelidad lo cual minimiza los errores.

Eucariontes pueden sintetizar de 50-100

ARNt. Por consiguiente, un aminoácido puede

ser transportado por más de una especie de

ARNt. Cada aminoacil-ARNt sintetasa

reconoce 1 aminoácido y todos sus ARNt afines.

FASES DE LA TRADUCCIÓN

Pre-iniciación: Activación de los aa por acción de la enzima aminoacil-

ARNt sintetasa utilizando ATP.

Inicio: La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm. El ARNt

reconoce el codón de inicio (AUG) en el ARNm proveniente del núcleo

en el proceso de transcripción. El codón de inicio, al ser leído por el

anticodón es traducido en el aminoácido metionina. A continuación se

ensambla la subunidad mayor del ribosoma a la menor.

*Solo el primer ARNt con la metionina se ubica primero en el sitio P

(peptidil) del ribosoma ya que todos los demás ARNt entran primero al

sitio A.

Elongación: Se produce gracias a un movimiento del ribosoma

(translocación) lo que permite que ARNt que estaba en el sitio P quede

en el sitio E de salida. El ARNt que estaba en A ahora queda en P y el

sitio A queda libre para que entren nuevos ARNt.

Cuando los sitios P y A se encuentran ocupados se forma el enlace

peptídico entre los aminoácidos que llevan los ARNt que se encuentran

en ellos.

Terminación: El sitio A del ribosoma reconoce el codón de termino en

el ARNm (UAA, UAG, UGA), y en este punto ningún ARNt entra al

sitio A, lo que permite la liberación de la cadena polipeptídica y el

desensamble del ribosoma, puesto que no existe aminoácido

complementario para ese codón.

* Factores de liberación reconocen los codones de término




6. Expresión de la Información: Características e Importancia del Código Genético:

La información genética se encuentra en la secuencia de bases del ADN y se expresa en forma de proteínas que

desarrollan los caracteres de los seres vivos. Desde que se desarrolló la hipótesis un “gen = una proteína”, se pensó

que debía existir algún tipo de relación entre las bases del ADN y los aminoácidos, idea que se vio reforzada al

descubrirse el ARN mensajero, que hacía de intermediario entre el ADN y las proteínas. Gracias a los trabajos

primero del equipo de Ochoa y Kornberg, desarrollando la maquinaria metabólica necesaria para fabricar ácidos

nucleicos en laboratorio, y luego del equipo de Holley, Khorana y Nirenberg se fue estableciendo la correspondencia

entre las bases del ARN mensajero (que es copia del ADN) y los aminoácidos de las proteínas, correspondencia a

la que se le dio el nombre de CÓDIGO GENÉTICO. Estos investigadores demostraron que la relación se establecía

entre grupos de tres bases nitrogenadas del ARN mensajero (codones) y un aminoácido.

El CÓDIGO GENÉTICO es la relación que existe entre los tripletes de bases del ARN mensajero (codones) y los

aminoácidos.

Existen 64 combinaciones de las cuatro bases nitrogenadas tomadas de tres en tres (por tripletes), que codifican

para 21 aminoácidos más tres tripletes "sin sentido" o de terminación.

En principio, un ARN formado por 30 nucleótidos (secuencia de 30 bases nitrogenadas) tendrá información para

construir una proteína de 9 aminoácidos: 9 aminoácidos x 3 bases = 27 bases + 3 de terminación = 30 bases.

Al haber más combinaciones que aminoácidos, a algunos aminoácidos les corresponden varias combinaciones, hasta

seis tripletes para la Leucina y la Arginina, cuatro tripletes para la Valina, Alanina, Prolina, Glicina, etc.

En realidad sólo existen dos aminoácidos codificados por un único triplete, que son el Triptófano, un aminoácido

de estructura peculiar, y la Metionina, que es el aminoácido de iniciación de todas las proteínas en el ribosoma.

Esta característica del código genético hace que algunos aminoácidos estén codificados por un par de bases y no

por un triplete lo cual se ha denominado DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO.

Una de las principales

características del código

genético es su carácter universal

para todos los seres vivos.

Podemos decir que es

exactamente igual para cualquier

organismo, desde las bacterias

quimiosintéticas hasta la especie

humana, incluyendo a los virus,

lo cual se considera como una

prueba más de que el origen de la

vida sobre la Tierra es único.

Ejemplo de

polipeptidos

formados a partir de

diferentes ARNm

utilizando el codigo

genético.




EJERCITACION:

1. La tabla del código genético muestra la

correspondencia entre

a) ADN y genes.

b) ADN y aminoácidos.

c) ARN mensajero y codones.

d) Codones y aminoácidos.

e) Codones y anticodones.

2. Si el anticodón del ARNt que porta el aminoácido

leucina es GAG, entonces, la secuencia de

nucleótidos en el ADN que codifica para este

aminoácido es:

a) GAG.

b) CUC.

c) CTC.

d) AUG.

e) UCG.

3. 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:

I) ARNt.

II) ARNm.

III) Proteínas.

4. El mecanismo involucrado en la síntesis del ARNm

a partir del ADN se denomina:

a) Transformación.

b) Translocación.

c) Transcripción.

d) Transducción.

e) Traducción.

5. ¿Dónde se forma el ARNm, ARNt y ARNr?

a) Citoplasma.

b) Núcleo.

c) Ribosomas.

d) El ARNm en ribosomas y los otros en el

núcleo.

e) El ARNm en el núcleo y los otros en el

citoplasma.

6. La siguiente figura está relacionada con el proceso

de biosíntesis de proteínas:Al respecto, es correcto

inferir que:

I) la estructura 1

corresponde a un ARN de

transferencia.

II) el triplete UUA

representa un anticodón

para un aminoácido.

III) 5’– – – –AAU– – – –

3’ representa un ARN

mensajero.

a) Solo I

b) Solo II

c) Solo III

d) Solo I y III

e) I, II y III

7. La siguiente corresponde a la secuencia de

nucleótidos en un fragmento de una molécula de

ARNm: 5´ AUCCACGCU 3´

¿Cuál de las siguientes corresponde a la respectiva

secuencia de ADN codificante?

a) 5´ UCGCACCUA 5´

b) 5´ TCGCACCTA 3´

c) 5´ ATCCACGCT 3´

d) 3´ UCGGACCUA 5´

e) 3´ ATCCACGCT 5´

8. ¿Cuál es el producto final de la expresión de los

genes?

a) Hidratos de carbono.

b) Proteínas.

c) Ácidos nucleicos.

d) Fosfolípidos.

e) Vitaminas.

9. ¿En qué molécula encontramos los codones?

a) ADN.

b) ARNt.

c) ARNm.

d) ARNr.

e) Ribosomas.

a) Sólo I

b) Sólo II

c) Sólo III d) Sólo II y III

e) I, II y III

10. ¿Qué molécula está protegida en el

extremo 5’ por un CAP y en extremo

3’ por una cola de poliadenina?

a) ARNt.

b) ADN.

c) ARNr.

d) ARNm.

e) cADN.

la replicación o “duplicación” del adn es un proceso que

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