UN I D A D I : O R G A N I Z A CI Ó N , ES T R U CT U R A Y ACT I V I D A D CE L U L A R

GE N O MA , GE N E S E IN G E N I E R Í A G E N É T I CA

BIOLOGIA MENCIÓN BM-33

B I O L O G Í A M O L E C U L A R I EXPRESIÓN GÉNICA

Segunda base del mRNA

Prim

era

base

del mRNA (extr

emo

5’)

Terc

era

base

del mRNA (extr

emo

3’)

2

INTRODUCCIÓN

La expresión 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 adquirido por la célula en la que esta

información genética se expresa.

Sin embargo, el momento en que esta información genética es expresada, se encuentra altamente

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, la expresión génica se regula de modo que ciertos

genes se "encienden" y otros se "apagan", permitiendo a las células modificar su contenido

proteico y, por lo tanto, su propio 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 alterar la información almacenada en los genes, originando a partir de

un gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). Estos genes alelos son los

responsables de las variaciones fenotípicas (diversidad biológica) que manifiestan las

poblaciones de seres vivos, sobre las que actúa el proceso de selección natural durante la

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 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, que proporcionaron la evidencia fundamental de que el material genético no era la

proteína sino el DNA.

Descubrimiento del principio de transformación

En 1928, F. Griffith observó que la bacteria Streptococcus pneumoniae, productora de la

neumonía humana, se presentaba en dos cepas distintas. Una de ellas es virulenta (provoca la

enfermedad), presenta capsula y forma colonias con aspecto liso; 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 realizo el siguiente experimento

(Figura 1).

3

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.

Pregunta: ¿un extracto de bacterias muertas

puede transformar genéticamente células vivas?

Experimento

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,

4

Pregunta: ¿cuál es la naturaleza química de la

sustancia de transformación?

Experimento

Conclusión: dado que solo la DNasa destruyó

la sustancia de transformación, la sustancia

responsable de la transformación es el DNA.

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). 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 es la proteína.

Figura 2.Experimentos de Avery, MacLeod y

MacCArty para la identificación del principio

de transformación.

5

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 4.

Figura 3 .Reproducción del bacteriófago T2.

6

Figura 4. Experimento de Hershey y Chase para identificar si el material genético era la proteína o el DNA.

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.

Pregunta: ¿qué parte del fago –el DNA o la proteína- sirve como material genético y se transmite a su progenie?

Experimento

Conclusión: el material genético de los bacteriófagos no es la proteína sino el DNA.

7

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.

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 extremos están dados por

cambios en la calidad de la información, 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).

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 siempre serán 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 para 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 para la evolución.

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.

8

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.

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.

DNA transcripción

(transcriptasa

inversa)

RNA traducción

Proteínas replicación

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.

9

5’

3’

DNA

RNA polimerasa

cadena de DNA transcrita

5’ RNA transcrito

Región promotora

3’

5’

5’

3’

5’

Reenrollamiento

del DNA

cadena de DNA no transcrita

Desenrollamiento

del DNA

3’

Sentido de la transcripción

DNA

3’ 3’

5’

3’ 5’

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). 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 para la síntesis de una proteína, pero son imprescindibles en el proceso.

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.

10

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.

D) 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).

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.

Inicio de la transcripción

-35 -

10

0

TTGACA TATATT

DNA -10

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.

11

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.

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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 (CAP) se añade al extremo 5’ del mensajero.

Este “casquete” es imprescindible para la unión del mRNA al ribosoma y protege al mRNA de

la degradación.

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 200-250 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.

Figura 8. Procesamiento del mRNA en eucariontes.

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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.

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). Figura 9. Procesamiento diferencial del RNA mensajero.

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).

14

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 ADN 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 flobina 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.

15

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 fue “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 (43) combinaciones; en cambio la relación de 41 o 42 nucleótidos, no

permitirá generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminoácidos.

El código genético es universal, degenerado (redundante) y no traslapado.

16

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.

Figura 10. Anatomía de un ribosoma.

Subunidad mayor

Subunidad menor

Subunidad mayor ribosomal

Sitio E

Sitio P Sitio

A

Sitio de unión del ARNm

P

Subunidad menor del ribosoma

E P A

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 la maquinaria traduccional (el ribosoma) se encarga de unir covalentemente con

otros aminoácidos, siguiendo en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA. Figura 11.

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 aminoacil-

tRNA 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.

Codón

Anticodón

Aminoácido leucina

18

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.

19

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-fornilmetionil-

tfMetRNA, 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 sub-

unidades 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 polirribosa 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’.

21

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

ADN 3’ TAC TCA AA

C

A CGA TA...

ARN 5’ AUG AGU UUU GCU AU

Proteína met ser phe ala

ADICIÓN

Mensaje original

ADN 3’ TAC TCA AAC ACG ATA

ARN 5’ AUG AGU UUG UGC UAU

Proteína met ser leu cys tyr

ADN 3’ TAC TCA CAA CAC GAT …..A

ARN 5’ AUG AGU GUU GUG CUA….. U

Proteína met ser val val leu

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TRANSCRIPCIÓN INVERSA: Infección por Retrovirus

El retrovirus, corresponde a una inversión del flujo habitual de la información del ADN y RNA La

enzima que la realiza es la transcriptasa inversa, el genoma retroviral, que en una cadena

simple de ARN, que codifica esta enzima y unas pocas moléculas de enzima son empaquetadas

juntas con el genoma de ARN en cada virus.

En el ciclo vital del retrovirus (figura 15), cuando el genoma de ARN de cadena simple entra a la

célula, la transcriptasa inversa que lleva consigo produce, una cadena de ADN complementaria

para formar una doble hélice híbrida ADN/ARN. La cadena de ARN es eliminada y la transcriptasa

inversa ahora sintetiza una cadena complementaria para producir una hélice de ADN. Este ADN,

luego es integrado al genoma del huésped por una enzima integrasa codificada por el virus. En

este estado el virus está latente: cada vez que la célula huésped se divide, pasa una copia

del genoma viral integrado a sus células progenitoras. (Lisogenia)

Figura 15. El ciclo vital de un retrovirus incluye la transcripción reversa y la integración en el genoma del huésped.

La replicación de un retrovirus - que puede ocurrir mucho tiempo después de su integración en el

genoma del huésped – es el copiado del ADN viral integrado en ARN por la enzima de la célula

huésped, que puede producir gran cantidad de ARN de cadena simple idénticos al genoma

infectado original. Los genes virales luego son expresados por la maquinaria de la célula huésped

para producir la cubierta proteica, la envoltura de proteínas y la transcriptasa inversa,

ensambladas todas con el genoma del ARN en nuevas partículas virales.

El agente causal del SIDA, es un retrovirus – VIH, como sucede con otros retrovirus, el genoma

del VIH puede persistir en estado latente como un provirus de ADN insertado en una célula

infectada.

LA TRANSCRIPTASA REVERSA FORMA UNA DOBLE HÉLICE DE DNA/RNA Y LUEGO DE DNA/DNA

DNA

DNA

RNA

DNA

INTEGRACIÓN DE LA COPIA DE DNA EN EL CROMOSOMA HUÉSPED

DNA integrado

TRANSCRIPCIÓN

muchas copias

de RNA

TRADUCCIÓN

Proteínas de la cáspide

Proteínas de la envoltura

Transcriptasa reversa

+

+

ENSAMBLE DE MUCHAS PARTÍCULAS VIRALES NUEVAS, CADA UNA CON TRANSCRIPTASA REVERSA EN LA CUBIERTA PROTEICA

INGRESO EN LA CÉLULA Y PÉRDIDA DE LA ENVOLTURA

cáspide

envoltura RNA

transcriptasa reversa

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Figura 16. Esquema del virus VIH, mostrando su cápside y su membrana.

Cuadro 1. Virus que causan enfermedades en humanos.

VIRUS TIPO DE GENOMA ENFERMEDAD

Virus del herpes simple DNA de doble cadena herpes labial recurrente

Virus de Epstein-Barr (EBV) DNA de doble cadena mononucleosis infecciosa

Virus varicela-zoster DNA de doble cadena varicela y herpes

Virus de la viruela DNA de doble cadena viruela

Virus de la hepatitis B DNA parte de doble

cadena, parte simple hepatitis sérica

Virus de la inmunodeficiencia

humana (HIV) RNA de cadena simple síndrome de inmunodeficienda

adquirida (SIDA)

Virus de la gripe tipo A RNA de cadena simple enfermedad respiratoria (gripe)

Poliovirus RNA de cadena simple parálisis infantil

Rinovirus RNA de cadena simple resfriado común

Virus de la hepatitis A RNA de cadena simple hepatitis infecciosa

Virus de la hepatitis C RNA de cadena simple hepatitis C

Virus de la fiebre amarilla RNA de cadena simple fiebre amarilla

Virus de la rabia RNA de cadena simple rabia

Virus de la parotiditis RNA de cadena simple parotiditis

Virus del sarampión RNA de cadena simple sarampión

Proteínas de la envoltura

RNA genómico

Cápsula

La envoltura viral proviene

de la célula infectada

La transcriptasa reversa

es una enzima capaz de

sintetizar DNA a partir

de un molde de RNA

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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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Preguntas de selección múltiple 1. Se presenta un codón y su anticodón complementario

Al respecto es correcto afirmar que

I) el anticodón de izquierda a derecha necesariamente va de 3’ a 5’

II) el aminoácido que trae el ARN de transferencia está codificado en el ARN

mensajero.

III) las bases complementarias del codón y anticodón se unen por puentes de

hidrógeno.

A) Solo I.

B) Solo II.

C) Solo I y III.

D) Solo II y III.

E) I, II y III.

2. ¿Cuál de los siguientes procesos ocurre en los cloroplastos y no en las mitocondrias?

A) Formación de ATP.

B) Replicación del DNA.

C) Síntesis de proteínas.

D) Transcripción de genes.

E) Liberación del oxígeno.

Sentido de la traducción

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3. El siguiente diagrama representa el proceso de transcripción. Con los números, se indican

diferentes estructuras. Señale la alternativa incorrecta

A) I: RNA en transcripción.

B) II: cadena de DNA molde.

C) III: doble cadena híbrida.

D) IV: codón de inicio AUG.

E) V: cadena codificadora.

4. En el proceso de transcripción de las células eucariontes, el transcrito primario de ARN

I) posee exones e intrones.

II) siempre se elonga por el extremo 3’.

III) sale al citoplasma una vez que ha madurado.

A) Solo I.

B) Solo II.

C) Solo III.

D) Solo I y III.

E) I, II y III.

5. Si el código genético estuviese especificado por codones constituidos por secuencias de dos

nucleótidos, ¿cuántos aminoácidos, como máximo, podrían ser especificados en tal lenguaje

genético?

A) 64 aminoácidos.

B) 61 aminoácidos.

C) 20 aminoácidos.

D) 16 aminoácidos

E) 4 aminoácidos.

6. ¿En cuál célula es posible que NO se realice el proceso de transcripción?

A) neurona.

B) célula hepática.

C) célula muscular.

D) célula pancreática.

E) glóbulo rojo maduro.

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7. Los dibujos siguientes ilustran cuatro de los seis codones que codifican al aminoácido leucina

(Leu). Los dos de la izquierda se aparean con un mismo anticodón, igual que el par de

codones de la derecha. Ello es posible porque

I) el código genético se modifica.

II) el ARN mensajero experimenta mutaciones puntuales.

III) la primera base de los anticodones suele ser “adaptable”.

A) Solo I.

B) Solo II.

C) Solo III.

D) Solo I y II.

E) I, II y III.

8. En una célula eucariótica no se sintetiza en el citoplasma

A) ARN polimerasa.

B) ADN polimerasa.

C) histonas básicas.

D) ARN de transferencia.

E) proteínas estructurales.

9. Si el codón del ARN mensajero es 5’ CGU 3’, el anticodón complementario es

A) 5’ GCA 3’

B) 5’ GCT 3’

C) 3’ GCA 5’

D) 3’ CGU 5’

E) 3’ GCT 3’

5’

Leu

GAG

5’

Leu

GAG

5’

Leu

GAU

5’

Leu

GAU

CUC

3’ 5’

CUU

3’ 5’

CUA

3’ 5’

CUG

3’ 5’

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10. En un trabajo hipotético se presenta un transcrito primario de ARN, encuentre los segmentos

de ADN indicados con números, la secuencia correcta en que debió haber sido transcrito

A) segmento I, II y V

B) segmento II, III y V

C) segmento I, III y VI

D) segmento II, IV y VI

E) segmento I, IV y VI

11. El código genético es degenerado porque más de un

A) codón codifica para el mismo aminoácido.

B) aminoácido es codificado por el mismo codón.

C) codón codifica para el fin de la transcripción.

D) codón codifica para el fin de la traducción.

E) codón codifica para inicio de la traducción

12. La secuencia de una hebra codificadora es

5’ CGC AAA TCT GCA 3’

Al respecto la secuencia en el transcrito primario (ARN) debería ser

A) 5’ GCG UUU UCU CGA 3’

B) 5’ CGC AAA UCU GCA 3’

C) 3’ CGC UUU UCU GCA 5’

D) 3’ GCG TTT AGA CGT 5’

E) 3’ CGC AAA UCU GCA 5’

13. ¿Cuál(es) de las siguientes moléculas está relacionada con la transcripción?

I) ARN mensajero.

II) ADN polimerasa.

III) ARN polimerasa.

A) Solo I.

B) Solo II.

C) Solo I y II.

D) Solo I y III.

E) I, II y III.

5’ UUAUGCGAGGAACGUAACC 3’

5’ AATACGC 3’ 3’ AATACGC 5’ 3’ TCCTTGCA 5’

5’ TCCTTGCA 3’ 3’ TTGG 5’ 3’ AACC 5’

I II III

IV V VI

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14. Se estudió la expresión de un gen bacteriano que codifica para una enzima oxidativa,

determinando la cantidad de su RNA mensajero sintetizado en diferentes condiciones de

aerobiosis y en anaerobiosis, según muestran los siguientes resultados:

A partir de estos resultados se puede concluir correctamente que

I) a mayor temperatura mayor síntesis de ARN.

II) la enzima oxidativa formada tiene mayor actividad en anaerobiosis.

III) en presencia de un 100% de O2 la velocidad de transcripción es menor.

A) Solo I.

B) Solo II.

C) Solo III.

D) Solo I y III.

E) I, II y III.

15. ¿Cómo se llama la mutación en que un cromosoma pierde parte de su estructura y contenido

génico?

A) adición.

B) deleción.

C) inversión.

D) sustitución.

E) translocación.

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RESPUESTAS

DMDO-BM33

Preguntas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Claves E E D E D E C D C B A B D D B