GUÍA: EL ADN NIVEL: 4º MEDIO La molécula de ADN está

GUÍA: EL ADN
NIVEL: 4º MEDIO
La molécula de ADN está constituída por dos largas cadenas de nucleótidos unidas entre sí
formando una doble hélice. Las dos cadenas de nucleótidos que constituyen una molécula
de ADN, se mantienen unidas entre sí porque se forman enlaces entre las bases
nitrogenadas de ambas cadenas que quedan enfrentadas.
La unión de las bases se realiza mediante puentes de hidrógeno, y este apareamiento está
condicionado químicamente de forma que la adenina (A) sólo se puede unir con la Timina
(T) y la Guanina (G) con la Citosina (C)
La estructura de un determinado ADN está definida por la “secuencia” de las bases
nitrogenadas en la cadena de nucleótidos, residiendo precisamente en esta secuencia de
bases la información genética del ADN. El orden en el que aparecen las cuatro bases a lo
largo de una cadena en el ADN es, por tanto, crítico para la célula, ya que este orden es el
que constituye las instrucciones del programa genético de los organismos.
Conocer esta secuencia de bases, es decir, secuenciar un ADN equivale a descifrar su
mensaje genético
La estructura en doble hélice del ADN, con el apareamiento de bases limitado ( A-T; G-C ),
implica que el orden o secuencia de bases de una de las cadenas delimita automáticamente
el orden de la otra, por eso se dice que las cadenas son complementarias. Una vez conocida
la secuencia de las bases de una cadena ,se deduce inmediatamente la secuencia de bases de
la complementaria.
El modelo de la doble hélice de Watson y Crick ha supuesto un hito en la historia de la
Biología.
Empaquetamiento del ADN
Las proteínas asociadas al ADN se conocen colectivamente con el nombre de histonas. Son
polipéptidos relativamente cortos cargados positivamente (básicos) y por lo tanto son
atraídos por las cargas negativas del ADN (ácido) Las histonas son sintetizadas en cantidad
durante la fase S ( S por síntesis) del ciclo celular. Una de las funciones de esas proteínas
está relacionada con el empaquetamiento del
ADN en la forma del cromosoma: los 2
metros de ADN de la célula humana son
empaquetados en 46 cromosomas de un largo
combinado de aproximadamente 200 nm. La
célula tiene unas 90 millones de moléculas de
histonas siendo la mayoría perteneciente a un
tipo conocido como H1.
Secuencia que va desde el ADN hasta
el cromosoma:
El número 1 corresponde a la molécula de
ADN,
En el número 2 , vemos el ADN unido a
proteínas globulares, formando una estructura
denominada “collar de perlas”, formado por
la repetición de unas unidades que son los
“nucleosomas”, que corresponderían a cada
perla del collar.
En el número 3 se pasa a una estructura de
orden superior formando un “solenoide”.
En el número 4, se consigue aumentar el
empaquetamiento, formando la fibra de
cromatina, nuevos “bucles”.
En el número 5, llegamos al grado de mayor espiralización y compactación, formando
un denso paquete de cromatina, que es en realidad, un cromosoma.
REPLICACIÓN DEL ADN
Es la capacidad que tiene el ADN de hacer copias o replicar su molécula. Este proceso es
fundamental para la transferencia de la información genética de generación en generación.
Las moléculas se replican de
un modo semiconservativo. La
doble hélice se separa y cada
una de las cadenas sirve de
molde para la síntesis de una
nueva cadena complementaria.
El resultado final son dos
moléculas idénticas a la
original
MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN
En el momento de la replicación de ADN, la doble hélice se abre (por actuación del enzima
helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras de ADN), formando la
horquilla de replicación. A medida que la helicasa abre la cadena, se replican sus dos
hebras. Cada hebra nueva de ADN empieza a partir de un cebador de ARN sintetizado por
la primasa, mediante la ADN polimerasa III.
También actúan las girasas y topoisomerasas que eliminan la tensión generada por la
torsión en el desenrrollamiento. Además actúan las proteínas SSB que se unen a las hebras
molde para que no vuelva a enrollarse.
La enzima ADN polimerasa añade los nuevos nucleótidos en dirección 5' 3' pero ambas
cadenas son antiparalelas. En una de las cadenas la enzima actúa a medida que se abre la
horquilla (cadena continua), sin embargo en la otra cadena (cadena discontinua) la adición
de los nuevos nucleótidos no puede llevarse a cabo de forma continua ya que tiene el
sentido 3' 5'. A medida que la helicasa abre la doble hélice original, debe agregarse un
cebador en el extremo 3' de la cadena discontinua, luego sintetizar ADN hasta el ARN
cebador anterior. Esta función la ejerce la ARN primasa. La ARN primasa es un tipo de
ARN polimerasa, una enzima que sintetiza pequeños fragmentos de ARN, de unos 10
nucleótidos, conocidos como cebadores, complementarios a la hebra de ADN que se copia
durante la replicación. Estos cebadores son necesarios para que la ADN polimerasa III
tenga un punto de partida en la síntesis 5' a 3' de la hebra molde y agregue los
desoxinucleótidos.
La ARN primasa tiene la particularidad de no necesitar cebador para comenzar la síntesis.
Los cebadores son retirados o degradados por la ADN polimerasa I, gracias a su capacidad
de exonucleasa, y rellenados con fragmentos de ADN, gracias a su capacidad de
polimerasa.
Una vez han sido retirados los cebadores de ARN, la ADN ligasa une los extremos de los
fragmentos de Okazaki y da lugar a una cadena continua de ADN. Los fragmentos de
Okazaki son cadenas cortas de ADN recién sintetizadas en la hebra discontinua. Éstos se
sintetizan en dirección 5’→ 3’ a partir de cebadores de ARN que después son eliminados.
Están formados por 1000 a 2000 nucleótidos en Escherichia coli y entre 100 y 200
nucleótidos en eucariotas. Están separados por cebadores de ARN de aproximadamente 10
nucleótidos de longitud.
SÍNTESIS PROTEICA
Las reacciones bioquímicas están controladas por enzimas. Las enzimas, están a menudo
involucradas en cadenas de reacciones conocidas como vías. La pérdida de actividad de una
enzima puede inactivar todo el ciclo.
La biosíntesis de aminoácidos (los ladrillos que forman las proteínas) es un complejo
proceso con muchas reacciones químicas mediadas por enzimas que si mutan, tornándose
inactivas, detendrán la vía biosintética y por lo tanto el crecimiento.
Beadle y Tatum propusieron la hipótesis “un gen una enzima” y, dado que un gen codifica
para la producción de una proteína. “Un gen una enzima” ha sido modificado a “un gen un
polipéptido” dado que muchas proteínas (como la hemoglobina) están formadas por mas de
un polipéptido.
La información fluye del ADN al ARN por vía del proceso llamado transcripción, y luego a
la proteína por el proceso de traducción.
Transcripción es el proceso de fabricación de ARN usando el ADN como molde.
Traducción es la construcción de una secuencia de aminoácidos (polipéptido) con la
información proporcionada por la molécula de ARN.
El esquema de este “dogma” ha sido encontrada repetidamente y se considera una regla
general (salvo en los retrovirus).
El Ácido RiboNucleico mensajero (ARNm) es el molde para la construcción de la
proteína.
El Ácido RiboNucleico
ribosómico (ARNr) se
encuentra en el sitio donde
se construye la proteína: el
ribosoma.
El Ácido RiboNucleico de
transferencia (ARNt) es el
transportador que coloca el
aminoácido apropiado en el
sitio correspondiente.
El ARN tiene el azúcar
ribosa en vez de desoxirribosa. La base uracilo (U) reemplaza a la timina (T) en el ARN. El
ARN tiene una sola hebra, si bien el ARNt puede formar una estructura de forma de trébol
debido a la complementariedad de sus pares de bases.
La transcripción: haciendo una copia de ARNm de la secuencia de ADN
La ARN polimerasa dependiente de ADN abre la parte del ADN a ser transcripta. Solo una
de las hebras del ADN (la hebra codificante ) se transcribe. Los nucleótidos de ARN se
encuentran disponibles en la región de la cromatina (este proceso solo ocurre en la
interfase) y se unen en un proceso de síntesis similar al del ADN.
El Código Genético: Traducción del ARN en proteína
Fue el astrónomo George Gamow quien señaló que el código que representa a los
aminoácidos debía consistir en grupos de al menos tres de las cuatro bases del ADN.
En efecto, los 20 aminoácidos están representados en el código genético por la
agrupación de tres letras (triplete) de las cuatro existentes.
Si uno considera las posibilidades de arreglo de cuatro letras agrupadas de a tres (43) resulta
que tenemos 64 posibilidades de palabras a codificar, o 64 posibles codones (secuencia de
tres bases en el ARNm que codifica para un aminoácido específico o una secuencia de
control).
El código genético fue “roto” por Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei (del NIH), 10
años después que Watson y Crick “rompieran” el misterio de la estructura del ADN.
Nirenberg descubrió que el ARNm, independientemente del organismo de donde proviene,
puede iniciar la síntesis proteica cuando se lo mezcla con el contenido del homogenado de
Escherichia coli.
Adicionando poli-U (un ARNm sintético) a cada uno de 20 tubos de ensayo (cada uno de
los cuales tenía un aminoácido diferente) Nirenberg y Matthaei determinaron que el codón
UUU , el único posible en el poli-U, codificaba para el aminoácido fenilalanina.
Gradualmente se fue confeccionando una lista completa del código genético.
El código genético consiste en 61 codones para aminoácidos y 3 codones de terminación,
que detienen el proceso de traducción. El código genético es por lo tanto redundante, en el
sentido que tiene varios codones para un mismo aminoácido. Por ejemplo, la glicina es
codificada por los codones GGU, GGC, GGA, y GGG. Si un codón muta por ejemplo de
GGU a CGC, se especifica el mismo aminoácido.
Los ribosomas son los organelos de la célula donde se sintetizan la proteínas. Los
ribosomas están formados por una subunidad liviana (30S) y una pesada (50S), el ARNr
difiere en cada uno de ellos.
La subunidad 30S tiene un ARNr 16S y 21 proteínas diferentes.
La subunidad 50S consiste en ARNr 23S y 5S y 34 proteínas diferentes.
La subunidad liviana tiene el sitio para que se
pegue el ARNm. Tiene un rol crucial en la
decodificación del ARN pues monitorea el
apareamiento de bases entre el codón del
ARNm y el anticodón de ARNt.
La subunidad pesada tiene dos sitios para el
ARNt. (el sitio A y el Sitio P). Cataliza la
formación de la unión peptídica.
Existen 61 ARNt diferentes, cada uno posee un sitio diferente para pegar el aminoácido y
un anticodón diferente. Para el codón UUU, el codón anticomplementario es AAA.
El ARNt tiene forma de trébol y es el
que lleva el aminoácido apropiado al
ribosoma cuando el codón lo "llama".
En la parte terminal del brazo más largo
del ARNt se encuentran tres bases, el
anticodón, que son complementarias con
el codón.
La unión del aminoácido apropiado al ARNt esta controlado por una enzima: la aminoacilARNt sintetasa.La energía para la unión del aminoácido al ARNt proviene de la conversión
de ATP (adenosín-trifosfato) a AMP (adenosín-monofosfato).
La traducción es el proceso de convertir las secuencias del ARNm en una secuencia de
aminoácidos. El código de iniciación es el AUG que codifica para el aminoácido metionina
(Met). La traducción no ocurre si no está el codón AUG, por lo tanto la metionina (en
realidad la formil-metionina, f-Met ) es siempre el primer aminoácido de la cadena
polipeptídica, y frecuentemente se elimina al final del proceso. El complejo formado por
ARNt/ARNm/subunidad ribosómica pequeña es llamado “complejo de iniciación”. La
subunidad grande se pega al complejo de iniciación. Luego de esta fase el mensaje progresa
durante la elongación de la cadena polipeptídica.
Un nuevo ARNt lleva otro aminoácido al sitio P vacío del complejo ribosoma /ARNm y
posteriormente se forma un enlace peptídico con el aminoácido del sitio ocupado. El
complejo se mueve a lo largo del ARNm hasta el próximo triplete, liberando el sitio A. El
nuevo ARNt entra en el sitio A y se repite el proceso. Cuando el codón es un codón de
terminación, un factor de liberación se pega al sitio, parando la traducción y liberando al
complejo ribosómico del ARNm.
A menudo muchos ribosomas leen el mismo mensaje y forman una estructura conocida
como polisoma. De esta manera la célula puede rápidamente fabricar varias proteínas
similares. La secuencia de los aminoácidos determina la interacción entre los mismos y por
lo tanto define la manera en que la proteína recientemente formada se pliega y adopta su
conformación en el espacio.
ACTIVIDAD:
I) Formar grupos de 4 alumnos como máximo
II) Contestar en hoja ordenada, sin borrones y con una sola letra.
1.-¿Qué se entiende por replicación del ADN?
2.-¿Por qué se dice que la replicación del ADN es semiconservativa?
3.-Nombre las enzimas que participan en el proceso de replicación del ADN e indique las
funciones de cada una.
4¿Qué son los fragmentos de Okasaki?
5.-¿Qué es un gen?
6.-Indique dos diferencias entre transcripción y traducción.
7.-Haga un cuadro comparativo(semejanzas y diferencias) entre ADN y ARN.
8.-Explique el significado de los codones de terminación.
9.-¿Qué diferencias puede establecer entre las dos subunidades del ribosoma?
10.-Explique el papel de la enzima llamada Aminoacil-ARNt sintetasa.
11.-¿De dónde proviene la energía que permite la unión del aminoácido con el ARNt
respectivo?
12.-Defina los siguientes conceptos:
a) codón de iniciación
b) codón
c) anticodón
d) complejo de iniciación
e) codón de terminación
f) polisoma
El código genético
Desde que se demostró, que las proteínas eran producto de los genes, y que cada
gen estaba formado por fracciones de cadenas de ADN, los científicos llegaron a
la conclusión de que, debe haber un código genético, mediante el cual, el orden de
las cuatro bases nitrogenadas en el ADN, podría determinar la secuencia de
aminoácidos en la formación de polipéptidos. En otras palabras, debe haber un
proceso mediante el cual las bases nitrogenadas transmitan la información que
dicta la síntesis de proteínas. Este proceso podría explicar cómo los genes
controlan las formas y funciones de las células, tejidos y organismos. Como en el
ADN sólo hay cuatro tipos de nucleótidos, y, sin embargo, las proteínas se
constituyen con 20 clases diferentes de aminoácidos, el código genético no podría
basarse en que un nucleótido especificara un aminoácido. Las combinaciones de
dos nucleótidos sólo podrían especificar 16 aminoácidos (42 = 16), de manera que
el código debe estar formado por combinaciones de tres o más nucleótidos
sucesivos. El orden de los tripletes, o como se han denominado, codones, podría
definir el orden de los aminoácidos en el polipéptido.Diez años después de que
Watson y Crick determinaran la estructura del ADN, el código genético fue
descifrado y verificado. Su solución dependió en gran medida de las
investigaciones llevadas a cabo sobre otro grupo de ácidos nucleicos, los ácidos
ribonucleicos (ARN). Se observó que la obtención de un polipéptido a partir del
ADN se producía de forma indirecta a través de una molécula intermedia conocida
como ARN mensajero (ARNm). Parte del ADN se desenrolla de su
empaquetamiento cromosómico, y las dos cadenas se separan en una porción de
su longitud. Una de ellas actúa como plantilla sobre la que se forma el ARNm (con
la ayuda de una enzima denominada ARN polimerasa). El proceso es muy similar
a la formación de una cadena complementaria de ADN durante la división de la
doble hélice, salvo que el ARN contiene uracilo (U) en lugar de timina como una
de sus cuatro bases nucleótidas, y el uracilo (similar a la timina) se une a la
adenina en la formación de pares complementarios.
Por esta razón, una secuencia de adenina-guanina-adenina-timina-citosina
(AGATC) en la cadena codificada de ADN, origina una secuencia de uracilocitosina-uracilo-adenina-guanina (UAUAG) en el ARNm.
Transcripción
La formación de una cadena de ARN mensajero por una secuencia particular de
ADN se denomina transcripción. Antes de que termine la transcripción, el ARNm
comienza a desprenderse del ADN. Finalmente un extremo de la molécula nueva
de ARNm, que ahora es una cadena larga y delgada, se inserta en una estructura
pequeña llamada ribosoma, de un modo parecido a la introducción del hilo en una
cuenta. Al tiempo que el ribosoma se desplaza a lo largo del filamento de ARNm,
su extremo se puede insertar en un segundo ribosoma, y así sucesivamente.
Utilizando un microscopio de alta definición y técnicas especiales de tinción, los
científicos pueden tomar fotografías de las moléculas de ARNm con sus unidades
de ribosomas asociados. Los ribosomas están formados por una proteína y ARN.
El grupo de ribosomas unidos a un ARNm recibe el nombre de polirribosoma o
polisoma. Como cada ribosoma pasa a lo largo de toda la molécula de ARNm,
“lee” el código, es decir, la secuencia de bases de nucleótidos del ARNm. La
lectura, que se denomina traducción, tiene lugar gracias a un tercer tipo de
molécula de ARN de transferencia (ARNt), que se origina sobre otro segmento del
ADN. Sobre un lado de la molécula de ARNt hay un triplete de nucleótidos y al otro
lado una región a la que puede unirse un aminoácido específico (con la ayuda de
una enzima específica). El triplete de cada ARNt es complementario de una
secuencia determinada de tres nucleótidos —el codón— en la cadena de ARNm.
Debido a esta complementariedad, el triplete es capaz de “reconocer” y adherirse
al codón. Por ejemplo, la secuencia uracilo-citosina-uracilo (UCU) sobre la cadena
de ARNm atrae al triplete adenina-guanina-adenina (AGA) del ARNt. El triplete del
ARNt recibe el nombre de anticodón.Como las moléculas de ARNt se desplazan a
lo largo de la cadena de ARNm en los ribosomas, cada uno soporta un
aminoácido. La secuencia de codones en el ARNm determina, por tanto, el orden
en que los aminoácidos son transportados por el ARNt al ribosoma. En asociación
con el ribosoma, se establecen enlaces químicos entre los aminoácidos en una
cadena formando un polipéptido. La nueva cadena de polipéptidos se desprende
del ribosoma y se repliega con una forma característica determinada por la
secuencia de aminoácidos. La forma de un polipéptido y sus propiedades
eléctricas, que están también determinadas por la secuencia de aminoácidos,
dictarán si el polipéptido permanece aislado o se une a otros polipéptidos, así
como qué tipo de función química desempeñará después en el organismo.En las
bacterias, los virus y las algas verdeazuladas, el cromosoma se encuentra libre en
el citoplasma, y el proceso de la traducción puede empezar incluso antes de que
el proceso de la transcripción (formación de ARNm) haya concluido. Sin embargo,
en los organismos más complejos los cromosomas están aislados en el núcleo y
los ribosomas sólo se observan en el citoplasma. Por esta razón, la traducción del
ARNm en una proteína sólo puede producirse después de que el ARNm se ha
desprendido del ADN y se ha desplazado fuera del núcleo.
Intrones
Un descubrimiento reciente e inesperado es que, en los organismos superiores,
los genes están interrumpidos. A lo largo de una secuencia de nucleótidos que
codifican un polipéptido, en particular, puede haber una o más interrupciones
formadas por secuencias sin codificar. En algunos genes pueden encontrarse 50 o
más de estas secuencias, o intrones. Durante la transcripción, los intrones son
copiados en el ARN junto con las secuencias codificadas, originando una molécula
de ARN extra larga. En el núcleo, las secuencias que corresponden a los intrones
son eliminadas del ARN por unas enzimas especiales para formar el ARNm, que
se exporta al citoplasma.Las funciones de los intrones (si existen) son
desconocidas, aunque se ha sugerido que el procesamiento del ARN mediante la
eliminación de las secuencias interrumpidas tal vez esté implicado en la regulación
de la cantidad de polipéptidos producidos por los genes. También se han
encontrado intrones en genes que codifican ARNs especiales, como los que
forman parte de los ribosomas. El descubrimiento de los intrones ha sido posible
gracias a nuevos métodos que determinan la secuencia exacta de nucleótidos en
las moléculas de ADN y ARN, métodos desarrollados por el biólogo molecular
británico Frederick Sanger, quien recibió en 1980 por este trabajo el segundo
Premio Nobel de Química.
Secuencias repetidas
Los estudios directos del ADN han demostrado también que en los organismos
superiores ciertas secuencias de nucleótidos se repiten muchas veces en todo el
material genético. Algunas de estas secuencias repetidas representan copias
múltiples de genes que codifican polipéptidos, o de genes que codifican ARNs
especiales (casi siempre existen muchas copias de genes que producen el ARN
de los ribosomas). Parece que otras secuencias que se repiten no codifican
polipéptidos o ARNs, y su función se desconoce. Entre ellas existen secuencias
que, al parecer, son capaces de saltar de una zona a otra de un cromosoma, o de
un cromosoma a otro. Estos “transposones”, o elementos que se transponen,
pueden originar mutaciones en los genes adyacentes a sus puntos de partida o
llegada.