El ADN como portador de la Información Genética
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www.clasesalacarta.com 1 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia El ADN como portador de la Información Genética La Genética es la parte de la Biología que se ocupa del estudio de la herencia biológica, intentando explicar los mecanismos y circunstancias mediante los cuales se rige la transmisión de los caracteres de generación en generación. La genética molecular estudia estos procesos desde un punto de vista químico. Naturaleza del Material Genético Hoy sabemos que la molécula portadora de la herencia es el ADN, pero esto se demostró a mitad del siglo XX. Anteriormente no se conocía cuál era esa molécula pero si se sabía que debería cumplir una serie de requisitos: - Ser químicamente estable, para que no sufriera alteraciones. Ser capaz de originar copias de sí misma (pervivencia de la información). Ser capaz de pasar la información de una generación a otra. Posibilidad de pequeños cambios que permitieran la variabilidad y así la evolución de los seres vivos. El ADN fue descubierto por Miescher en 1869 pero se pensaba que eran las proteínas y no el ADN quien cumplía esos requisitos. El posterior descubrimiento de los cromosomas permitió comprobar que ambas moléculas los cumplían. En 1928, Griffith describió el llamado fenómeno de transformación por neumococos. Se distinguen dos tipos de neumococos: Los neumococos de tipo S (liso) que forman colonias de aspecto liso y brillante sobre un medio sólido. Se caracterizan por poseer una cápsula de polisacáridos en la superficie celular que las protege del sistema inmunitario del huésped y provocan infecciones que matan al animal en 3 ó 4 días. Los neumococos de tipo R (rugoso) que forman colonias de aspecto rugoso sobre un medio sólido, y son poco virulentos, no tienen cápsula. Experiencia 1 Experiencia 2 Experiencia 3 Al inyectar en ratones bacterias virulentas S, se produce la muerte de los animales por neumonía. La inyección de bacterias R no virulentas no tenía efectos sobre los animales. Al inyectar bacterias S muertas, por calor, los ratones no desarrollaban la enfermedad. Un cultivo de tejidos del animal después de la inyección no detectaba la presencia de bacterias de ninguna de las cepas Un cultivo de tejidos del animal no detectaba bacterias Un cultivo posterior detectaba la presencia de bacterias S en el animal muerto Experiencia 4 Al inyectar a los ratones una mezcla de bacterias R y S, muertas por calor, los ratones desarrollan la enfermedad y mueren. En los cultivos se observan bacterias de tipo S y R Griffith concluyó que un factor de transformación había sido transferido desde los neumococos S muertos a los neumococos R vivos. Este factor de transformación convirtió a los neumococos R en neumococos S con la cápsula de polisacáridos que les hacía letales. Por tanto: - La información genética está contenida dentro de la célula. El material genético es un portador activo de la información genética. á á 2 Biología _ 2º Bachillerato En 1944, Avery, McLeod y McCarty dedujeron que ese factor transformante de Griffith era el ADN. Llegaron a la conclusión de que era el ADN de las bacterias S muertas por el calor el que transformaba las bacterias R en S. Demostraron así que el ADN era la molécula que contenía la información necesaria para que las bacterias S fueran virulentas y que, a pesar de estar muertas, su ADN no estaba destruido y podía pasar al medio y de aquí a las bacterias de cepa R, integrándose en el genoma de éstas y transformándolas en virulentas Trataron los neumococos S muertos por calentamiento con detergente para obtener un lisado celular (un extracto libre de células que contenía el factor de transformación. Este lisado contiene: el polisacárido de la superficie celular, las proteínas, el ARN y el ADN de los neumococos S. Sometieron al lisado a diversos tratamientos enzimáticos. Inyectaron en ratones los neumococos de tipo R vivos junto con una fracción del lisado modificada enzimáticamente. Tratamiento sobre el lisado Resultado Conclusión Ninguno El factor transformante está presente en el lisado Se añadió la enzima SIII, que degrada la cápsula de polisacárido El factor transformante no era una proteína Se extrajeron los ácidos nucleicos del lisado anterior y se añadió la enzima ARNasa (degrada el ARN) Al extracto de ácidos nucleicos anterior se le añadió la enzima ADNasa (degrada el ADN) El factor transformante no era el ARN El factor transformante era el ADN Esta serie de experimentos demostró que la naturaleza química del factor de transformación (la información genética capaz de convertir neumococos R en neumococos S) era un DNA y no una proteína como se sospechaba en aquella época. En 1952, Hershey y Chase demostraron que era el ADN y no una proteína el material genético. Prepararon dos muestras separadas de bacteriófagos T2 (virus que infectan bacterias), una muestra contenía ADN marcado con el isótopo radiactivo 32P y la otra muestra contenía proteína marcada con el isótopo radiactivo 35S. Cultivaron los dos tipos de virus por separado, infectaron bacterias Escherichia coli con los dos grupos de fagos y analizaron las bacterias en busca de radiactividad. 32P 35S Vieron que los virus descendientes de los marcados con 32P estaban también marcados, en cambio los marcados con 35S radioactivo no presentaban radioactividad. A partir de estos resultados, Hershey y Chase concluyeron que el material genético viral era el DNA y no la proteína, lo cual reforzó las observaciones realizadas anteriormente por Avery y colaboradores. Concepto Clásico y Molecular de los Genes Para Mendel (1822-1884) los genes eran considerados como factores hereditarios que determinaban las características externas de los seres vivos. En su época se ignoraba su composición química o su localización. Para poder referirse a ellos fueron denominados mediante letras. Así, en los guisantes, el gen A determina que las semillas sean de color amarillo y el gen a hace que sean verdes. Pero nadie sabía qué era lo que hacía que los guisantes fueran verdes o amarillos ni cómo lo hacía. Esto es, no se sabía la naturaleza de los factores hereditarios ni cuál era su mecanismo de actuación. En 1901 los estudios de Garrod sobre la alcaptonuria permitieron empezar a conocer cómo actuaban los genes www.clasesalacarta.com 3 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia y las experiencias de Griffith y Avery, descubrieron que los genes estaban localizados en el ADN. Garrod llegó a la conclusión de que el gen normal A produce la enzima necesaria para no padecer alcaptonuria, mientras que el gen a recesivo no la produce. Ésta era la primera vez que se relacionaba un gen con una enzima y, por tanto, con una reacción. De aquí surgió la hipótesis: un gen-una enzima. Sin embargo, debido a que hay enzimas formadas por dos o más cadenas polipeptídicas, la hipótesis se reformuló como: un gen-un polipéptido. Una vez establecido el paralelismo entre genes y enzimas y tras ser propuesto, en 1.953, el modelo de doble hélice por Watson y Crick, este último propuso la denominada hipótesis de colinealidad de Crick: existe una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos de la enzima codificada. Dogma Central de la Biología Molecular Propuesta inicial de Crick (1970) Modificaciones posteriores Replicación Replicación Transcripción Traducción ARN ADN ADN Replicación Transcripción ARN Traducción Proteína Proteína Transcripción Inversa Desde el punto de vista molecular, la mayoría de los genes son fragmentos de una molécula de ADN que determinan la síntesis de una proteína, mientras que otros realizan funciones reguladoras. El material genético en Procariotas y Eucariotas Procariotas Eucariotas Todo el ADN se emplea como información para la síntesis de proteínas. Sólo un 10% o menos del ADN se emplea para codificar proteínas. El resto tiene funciones poco conocidas. El gen codificador de cada proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos Las secuencias de nucleótidos que codifican proteínas (exones) no son continuas, teniendo intercaladas otras no codificadoras (intrones). Se considera que los intrones son una ventaja evolutiva ya que favorecen la recombinación meiótica (cuanto más evolucionada es una especie más intrones presenta), aumentando la variabilidad genética. No repetitivo Casi el 50% es altamente repetitivo, existen secuencias de nucleótidos repetidas miles de veces. Parece tener influencia en la estabilidad de los cromosomas y no lleva información para la síntesis. Todo gen eucariota presenta las siguientes regiones: Región Secuencia Promotor Reguladora Codificadora Inicio Transcripción Fin Transcripción Promotora: situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aa, sirve para que las enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen. Codificadora: es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. Considerando la hebra 5'3', el principio de esta región viene marcado por la secuencia ATG y el final por uno de estos tres tripletes: TAA, TAG, TGA, llamados de stop o sin sentido. Terminadora: marca el final del gen. Secuencia Promotor Reguladora Inicio Transcripción Intrones Exones Fin Transcripción á á 4 Biología _ 2º Bachillerato Replicación del ADN El ADN debe transmitirse fielmente a las células hijas, es decir, debe originar copias exactas de sí mismo. Este proceso se conoce como replicación o duplicación del ADN. En un principio, se propusieron varias hipótesis de los posibles procedimientos de la duplicación: Conservativa Semiconservativa (Watson y Crick) Dispersiva La cadena original se mantiene y se sintetiza otra nueva La doble hélice se separa y se fabrica una nueva hebra para cada una. De esta manera, cada célula hija conserva una hebra original de la célula madre y una hebra nueva recién sintetizada Las células hijas reciben fragmentos nuevos y antiguos al azar. Esta controversia fue resuelta por Meselson y Stahl con una serie de experiencias: Experiencia 1 Se cultivan bacterias E. coli en un medio con 15N (nitrógeno pesado) durante cierto tiempo para que todo el ADN esté formado por dos hebras de 15N (15N -15N) más pesadas. Si se centrifuga, este ADN más pesado migra hacia el fondo del tubo y se obtiene el resultado que se observa en la figura. Experiencia 3 .. lo que se obtiene en realidad es lo que se observa en la figura: una sola banda en posición intermedia, pues está formada por ADN mixto (15N -14N). Esto es, todas las células hijas tienen un ADN con una hebra con 15N y otra con 14N. La hipótesis de la síntesis semiconservativa es la correcta. Experiencia 2 A continuación, se cultivan las bacterias en 14N, más ligero, durante 30 minutos, lo que dura un ciclo de replicación. Si la hipótesis de la síntesis conservativa fuese la correcta, se debería obtener lo que se ve en la figura, una banda de ADN pesado (15N-15N) y otra con ADN ligero (14N-14N) pero... Experiencia 4 Además, si se da otro ciclo de replicación en 14N, se obtiene una banda de ADN mixto (14N-15N) y otra de ADN (14N-14N), lo que también está de acuerdo con la hipótesis de la síntesis semiconservativa. www.clasesalacarta.com 5 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia Mecanismo de la replicación Ocurre durante la fase S del ciclo celular (fase de síntesis del ADN). Las características principales del proceso son: Semiconservativa. Se realiza en ambas hebras de forma secuencial. Semidiscontinua: una hebra se replica de forma continua y la otra lo hace de forma discontinua. Bidireccional: la separación de las hebras progenitoras, que comienza en cada origen de replicación, progresa en ambas direcciones. Origen de replicación: Monofocal (procariotas): comienza siempre en un punto determinado del cromosoma circular denominado origen (ori), la replicación progresa formando dos horquillas de replicación. Multifocal (eucariotas): en cada cromosoma existen múltiples orígenes de replicación (cientos o miles) que dan lugar a un número doble de horquillas de replicación. Esto permite completar la replicación de los cromosomas en un tiempo razonable. Puede visualizarse mediante microscopia electrónica. Podemos dividirlo en varias fases: 1.- Inicio.- en ciertas zonas de la doble hélice interviene una enzima, la helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno de las bases y separa las dos hebras. El ADN se desenrolla por dos topoisomerasas que eliminan las tensiones y una vez separadas las dos hebras se mantienen separadas por otras enzimas, las proteínas SSB. Girasa Topoisomerasa Proteínas específicas Helicasa Proteínas SSB 2.- Elongación.- es la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las hebras originales del ADN, colocando las bases complementarias a las mismas. Lo realiza la ADN-Polimerasa III que para llevar a cabo su actividad necesita: Una hebra molde en sentido 3’5’ sobre la que sintetizar la hebra complementaria. Une nucleótidos en sentido 5’3’, la nueva hebra va creciendo en este sentido. Utiliza dNTP, que al mismo tiempo proporcionan la energía necesaria para la unión de la cadena nucleótidica, al romper el enlace y quedarse dNMP. No puede comenzar la síntesis por sí misma, sólo puede añadir nucleótidos a un extremo 3’-OH libre, es decir, no es capaz de empezar una cadena desde el principio. Por eso necesita una cadena corta de ARN (40 o 50 nucleótidos) sobre la que seguir la síntesis, llamada cebador o primer, que es sintetizado por una primasa (ARN-polimerasa), que sintetiza ARN a partir de ADN como molde. La doble hélice se va separando y se va formando la denominada burbuja de replicación. El proceso es bidireccional, avanza en las dos direcciones. Cada zona de avance se denomina horquilla de replicación (por donde la ADN-pol III va avanzando). La ADN-pol III lee en sentido 5’3’, por lo que la síntesis de una hebra es continua. Pero la otra hebra va en sentido 5’3’ por lo que no es posible la síntesis en sentido 3’5’. En este caso la síntesis es discontinua en fragmentos separados, denominados Fragmentos de Okazaki, que requieren un cebador cada uno. Posteriormente se deben eliminar los cebadores, mediante la enzima ADN-pol I, que también rellena los huecos. Por último, se unen los fragmentos gracias a ligasas. á á 6 Biología _ 2º Bachillerato Burbuja ADN-Pol I 5’ cadena adelantada Topoisomerasa 3’ 3’ Horquillas Helicasa 5’ cadena retrasada Cebador Primasa 5’ 5’ ADN-Pol I Fragmentos de Okazaki 3.- Finalización.- cada hebra se vuelve a enrollar formando ahora dos nuevas cadenas. rápido, alrededor de 45000 nucleótidos/minuto, en E. coli. Es un proceso muy Diferencias de replicación en eucariotas y procariotas Procariotas Eucariotas No es necesario el desempaquetamiento tan complejo antes de la replicación al tener ADN desnudo y menos replegado El proceso previo al inicio de la replicación requiere el desempaquetamiento de estructuras espaciales más complejas Se han identificado 3 ADN-pol diferentes Hay 5 tipos de ADN-pol diferentes Un punto de inicio de la replicación u origen de replicación (ori) y dos horquillas de replicación Existen numerosos puntos de inicio de la replicación, formándose muchas horquillas de replicación para acelerar el proceso, al tener mayor cantidad de ADN Los fragmentos de Okazaki poseen entre 1000 y 2000 nucleótidos Los fragmentos de Okazaki son menores en extensión, de unos 100 a 200 nucleótidos Al ser el ADN circular no se produce acortamiento porque no existen extremos telómeros Al ser el ADN lineal, se acorta el extremo de las hebras en cada ciclo de replicación al eliminarse el ADN cebador terminal y actúa la telomerasa que sintetiza los fragmentos que faltan Además del ADN, también deben sintetizarse las histonas Menor velocidad de replicación Corrección de errores En este proceso de replicación es necesario detectar y corregir los errores que pudieran producirse en las copias. De manera que el ADN es la única molécula capaz de repararse a sí misma. Si la ADN-pol III coloca un nucleótido no complementario es eliminado por nucleasas. De este modo el número de errores es muy bajo (1 de cada 108 bases incorporadas), aún así existe un proceso de corrección postreplicativo en el que actúan varias enzimas: 1. 2. 3. 4. Endonucleasas: detectan errores y cortan la cadena en esa zona. Exonuclasas: eliminan el fragmento incorrecto. ADN-pol I: sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado. ADN ligasas: unen el nuevo segmento al resto de la cadena. A pesar de la corrección, la fidelidad en la replicación no es absoluta, esto es importante para la variabilidad genética imprescindible en la evolución. www.clasesalacarta.com 7 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia Transcripción de la información del ADN La transcripción del ADN es un mecanismo fundamental para el control celular y para la expresión de la información genética. Permite que la información del ADN llegue al resto de orgánulos celulares y salga del núcleo en el caso de los eucariotas. Para ello esa información debe copiarse en forma de ARN. Por tanto, la transcripción es el proceso de copia de un gen o fragmento de ADN usando 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. este caso los elementos que intervienen son: DNA original: sirve de molde para ser copiado. RNA-polimerasa: sintetiza el ARN a partir del molde del ADN. Para realizar su función necesita: Los cuatro NTP (ATP, GTP, CTP, UTP) Mg2+ Cadena molde de ADN No necesita cebador, a diferencia de la ADN- pol Ribonucleótidos trifosfato: para llevar a cabo la copia. Poli-A-polimerasa: ribonucleoproteína pequeña nuclear, es una ARN-ligasa. ARN-pol Iniciación ADN ppp Adición de la caperuza m7G ppp Mecanismo de Transcripción en Eucariotas Alargamiento Para cada gen, sólo una de las cadenas, de las dos que posee el ADN, se transcribe. El mecanismo se realiza de la siguiente manera: I. En m7G ppp Adición de la cola poli-A m7G ppp la ARN-pol o transcriptasa se une a unas secuencias específicas llamadas promotores, estos -OH 3’ dirigen la transcripción de los genes adyacentes. Las Poli-A-polimerasa secuencias de los promotores no son idénticas pero se han encontrado en muchas bacterias ciertas secuencias que son particularmente comunes en E1 I1 E2 I2 m7G ppp E3 ciertas posiciones (secuencia consenso), (A)n - OH concretamente, unos 10 y 35 nucleótidos a la pre ARNm izquierda de donde se inicia la transcripción, estas secuencias consenso se denominan: secuencia –35 o caja de entrada y secuencia –10 o caja TATA. La doble hélice del ADN se desenrolla formado el bucle de transcripción (unos 17 nucleótidos) para servir de molde para la síntesis del ARN, de tal manera que solamente una de las dos cadenas es la que transcribe la información al ARN. La cadena de ADN que sirve de molde se denomina cadena molde, mientras que la complementaria se llama cadena codificante, idéntica en secuencia de bases al ARN transcrito excepto que la T es sustituida por U. Iniciación.- 5’ -35 -10 TTGACA TATATT +1 3’ 5’ 3’ ARNm I. II. la síntesis de la cadena continúa en dirección 5'3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-GTP en el extremo 5'. Esta cabeza parece tener una función protectora para que las exonucleasas que destruyen los ARN, no ataquen al ARNm. Una vez que esto ha ocurrido, continúa la síntesis del ARN en dirección 5’3’. Alargamiento.- una vez que la ARN-pol llega a la región terminadora del gen (secuencias de terminación), finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poli-A-pol añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN (ARNm precursor, pre-ARNm o transcrito primario) se libera. Finalización.- á á 8 Biología _ 2º Bachillerato III. el pre-ARNm contiene tanto exones como intrones, es por tanto, un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN-ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro o transcrito. Maduración.- pre ARNm o transcrito primario m7G ppp E1 I1 E2 I2 E3 (A)n - OH splicing m7G ppp E1 E2 E3 (A)n - OH ARNm maduro Todo esto se produce en el núcleo celular. El ARNm maduro o transcrito, pasa al hialoplasma donde su información sirve para la síntesis de una proteína concreta, es decir, la información que se encuentra en forma de una cadena de nucleótidos se traducirá a una cadena de aminoácidos. Mecanismo de Transcripción en Procariotas Se lleva a cabo mediante una sola ARN-pol, con cuatro subunidades β, β’, y ’. Se une a un factor de reconocimiento, denominado factor sigma (), capaz de reconocer y fijarse a la región promotora (caja TATA, Caja -35) Una vez fijada la ARN-pol se libera el factor sigma. La ARN-pol desenrolla la doble hélice y comienza la síntesis: lee en sentido 3’5’ y sintetiza en sentido 5’3’. La síntesis termina cuando la ARN-pol llega a una zona de ADN que posee muchas bases GC (señal de terminación). Para reconocer esa zona interviene el factor rho (ρ). La velocidad es alta, de unos 30-40 nucleótidos por segundo. Posteriormente se lleva a cabo un proceso de maduración que originará los ARNt y ARNr. Hay un mayor número de errores, pero se pueden tolerar ya que no pasan a la descendencia. Las diferencias con eucariotas son: Procariotas Eucariotas El ARNm no posee ni caperuza, ni cola poli-A, ni intrones El pre-ARNm posee caperuza, cola poli-A e intrones No hay maduración post-traduccional Sí hay maduración post-traduccional No hay separación física entre transcripción y traducción La transcripción se realiza en el núcleo y la traducción en el citoplasma El ARNm es policistrónico (contiene información para más de una proteína, es decir, contiene más de un gen) El ARNm, por lo general, es monocistrónico (1 gen = 1 proteína) Antes de que el ARNm se termine de transcribir ya se está traduciendo Hay una separación temporal entre la transcripción y la traducción Hay sólo 1 tipo de ARN-pol Hay, al menos, 3 tipos de ARN-pol (una para cada tipo de ARN) www.clasesalacarta.com 9 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia El Código Genético El ARNm tiene una estructura primaria complementaria a una de las cadenas del ADN. Esta disposición de las bases nitrogenadas en el ARNm es la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína. Crick demostró que los aa en las proteínas están codificados por secuencias de tres bases nitrogenadas consecutivas en las cadenas de ARNm. Cada una de estas secuencias de tres bases se llama tripletes o codones. Al haber en las proteínas 20 aa distintos, una o dos bases no serían suficientes para codificarlos. Al tener los ácidos nucleicos cuatro bases diferentes (A, G, C, U), existirán 64 codones o combinaciones de tres bases y como solamente hay 20 aa distintos, se deduce, que varios tripletes codificarán un mismo aa. Este código, que relaciona la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas, recibe el nombre de código genético. Características I. II. Universal.- todos los seres vivos lo emplean, aunque existen algunas excepciones como por ejemplo, el de las mitocondrias, que tiene algunas diferencias. Degenerado.- el número de tripletes (64) es superior al de aa existentes en las proteínas (20). III. Existen 3 tripletes que no codifican ningún aa, son los tripletes sin sentido, de paro o stop. Estos tripletes marcan el final de la región a traducir, esto es, el final de la molécula proteica. IV. La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aa Met. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por Met, sin embargo, posteriormente, esta Met, que ocupa la posición inicial, puede ser eliminada. Segunda base U U C Primera base A G C A G Phe UUU Ser UCU Tyr UAU Cys UGU U Phe UUC Ser UCC Tyr UAC Cys UGC C Leu UUA Ser UCA Stop UAA Stop UGA A Leu UUG Ser UCG Stop UAG Trp UGG G Leu CUU Pro CCU His CAU Arg CGU U Leu CUC Pro CCC His CAC Arg CGC C Leu CUA Pro CCA Gln CAA Arg CGA A Leu CUG Pro CCG Gln CAG Arg CGG G Ile AUU Thr ACU Asn AAU Ser AGU U Ile AUC Thr ACC Asn AAC Ser AGC C Ile AUA Thr ACA Lys AAA Arg AGA A Met AUG Thr ACG Lys AAG Arg AGG G Val GUU Ala GCU Asp GAU Gly GGU U Val GUC Ala GCC Asp GAC Gly GGC C Val GUA Ala GCA Glu GAA Gly GGA A Val GUG Ala GCG Glu GAG Gly GGG G Tercera base á á 10 Biología _ 2º Bachillerato Traducción Consiste en la síntesis de una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. Se trata de un proceso que se produce en el hialoplasma. Consta de las siguientes fases: Activación de los aminoácidos: la formación del enlace peptídico es un proceso endergónico. Para que pueda realizarse, los aa deben ser activados, activación que se realiza por medio del GTP: aa + GTP aa-GMP + PPi Los aa activados se unen a una molécula de ARNt, cada uno a un ARNt específico, que será aquel que lleve el anticodón correspondiente. Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG. Se les une el complejo formado por el ARNt-Met. La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta el aa. Por último, se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma. fMet fMet 3’ 5’ U A C 5’ AUG Sub. Menor fMet 3’ 5’ UA C 5’ A UG 3’ 3’ 5’ UA C 5’ A UG 3’ 3’ ARNm Ribosoma Completo Elongación: 1. El complejo ARNt-aa2 se sitúa enfrente del codón correspondiente. La región del ribosoma en la que se une se le llama región aminoacil (A). 2. Se forma el enlace peptídico y la Met se une al segundo aminoácido (aa2). 3. El ARNm se traslada como la cinta de una máquina de escribir y el complejo ARNt2- aa2-Met queda situado en la región peptidil (P) del ribosoma y la posición aminoacil queda libre para la entrada del complejo ARNt-aa3. El ARNt de la Met se libera. De esta manera se van a ir añadiendo el resto de los aminoácidos que constituyen la proteína hasta llegar al codón de finalización. Phe Enlace Peptídico fMet 3’ 5’ 3’ 5’ UA C C G A 5’ AUGGUC 3’ 5’ AA G Val 3’ Val 5’ A U 3’ 5’ AA G 3’ 5’ CA G G G U CUU C 3’ Val 5’ A U Phe 3’ 3’ 5’ 5’ CA GAA G 3’ G G U CUU C Finalización: Cuando el ribosoma llega al codón de finalización, uno de los codones sin sentido: UAA, UAG, UGA, la proteína se libera y las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm. Factor de Liberación 5’ 3’ 5’ CA G G U CUG A 3’ 3’ 5’ CA G 5’ G U CUG A 3’ www.clasesalacarta.com 11 Tema 12.- La Base Molecular de la Herencia La estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas se va adquiriendo según estas se van sintetizando. Varios ribosomas, de 4 a 6, a veces incluso 100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una cadena de ARNm, formando polirribosomas. Regulación de la acción de los genes: Hipótesis del Operón Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Ahora bien, no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular. Muchos genes no actúan nunca y otros actúan sólo en determinados momentos, pudiendo permanecer durante largos periodos de tiempo inactivos. Regulación de la actuación del operón LAC en la bacteria Escherichia coli La -galactosidasa es una enzima que rompe el enlace O-glicosídico entre la galactosa y la glucosa en la lactosa. Si no hay lactosa en el medio, E. coli apenas dispone de unas pocas moléculas de enzima, una o dos solamente. Sin embargo, si añadimos lactosa al medio donde se encuentra la bacteria, al cabo de unos pocos minutos los niveles de -galactosidasa suben hasta alcanzar las 5000 moléculas por célula, aproximadamente. Aparecen además otras dos enzimas: una permeasa que facilita la absorción de la lactosa a través de la membrana plasmática de la célula y una transacetilasa, necesaria también para el metabolismo de la lactosa. Jacob y Monod interpretaron estos resultados planteando la hipótesis del operón: la actividad de varios genes que codifican enzimas relacionadas entre sí, sería desencadenada por la acción de un gen operador, contiguo a los genes estructurales en la molécula de ADN. El conjunto formado por los genes estructurales y el gen operador recibe el nombre de operón. Si el gen operador se encuentra libre, los genes estructurales se transcriben. A su vez, el gen operador estaría controlado por un gen regulador, que puede estar situado lejos del operón. Este gen va a sintetizar un ARNm que servirá para la síntesis de una proteína: el represor. Si el represor se encuentra activo se unirá al gen operador inhibiéndolo, con lo que los genes estructurales no se transcribirán. El operón LAC en E.coli consta de tres genes estructurales que codifican respectivamente: la -galactosidasa (gen z), la permeasa (gen y) y la transacetilasa (gen a): Sin Lactosa Regulador El gen regulador se traduce en una proteína, el represor, con dos centros activos. Por uno de ellos es capaz de unirse al gen operador inhibiendo la síntesis de los ARNm codificados por los genes z, y, a. Operador Genes Estructurales Z Y A Con Lactosa El represor, por el otro centro activo, se une a la lactosa, que cambia la estructura del represor inactivándolo e impidiendo que éste se pueda unir al gen operador. De esta manera los genes estructurales se transcribirían produciéndose la síntesis de las tres enzimas que metabolizan la lactosa en E.coli Regulador Operador Genes Estructurales Z Lactosa Y A á á 12 Biología _ 2º Bachillerato Los Operones Reprimibles Este es el caso de la regulación de los genes responsables de los procesos de síntesis (como la síntesis de Trp). Supongamos que la célula necesita producir una determinada cantidad de una sustancia A y que no interesa que haya un exceso de A ni que ésta falte. Supongamos también que para sintetizar A se necesitan tres enzimas: a, b y c. Sin sustancia A (Trp) Regulador Operador Genes Estructurales En estos casos, la proteína que actúa como represor del gen operador se encuentra normalmente en estado inactivo, permitiendo que los genes a, b y c se transcriban y que A se sintetice. C B A Síntesis de Trp Con sustancia A (Trp) Regulador Cuando A (Trp) alcanza unos niveles elevados, se une al represor, activándolo. El represor activo se une al operador y los genes estructurales a, b y c no se transcriben. Esto hace descender la cantidad de A, con lo que el represor vuelve a estar inactivo, los genes estructurales vuelven a traducirse y vuelve a sintetizarse A. Operador Genes Estructurales Z Y A Trp De esta manera la célula mantiene unas determinadas cantidades de A. Por tanto, se trata de un mecanismo que funciona como un termostato, manteniendo unos niveles adecuados de una determinada sustancia, en este caso A, necesaria para la célula.
