GUÍA N°2: MATERIAL GENÉTICO Y REPLICACIÓN DE ADN.

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UNIDAD
SEMESTRE
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Biología
Iris Gaete
IVº medio científico
2016
Información Génica y Proteínas
I
GUÍA N°2: MATERIAL GENÉTICO Y REPLICACIÓN DE ADN.
Nombre:_________________________________________Curso:__________________
I.
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENÉTICO
1. ¿Dónde se encuentra la información genética?
En años anteriores, aprendiste que en las células eucariontes el ADN se encuentra en el núcleo,
mitocondrias y cloroplastos. También que el ADN contiene la información genética, que debe ser copiada y
transmitida de una célula a otra durante un ciclo celular, puesto que dirige la construcción y organización de la
célula, con lo que influye en el fenotipo del organismo.
2. ¿ADN o proteínas?
En 1915, con la confirmación de la teoría cromosómica de la herencia, se estableció que eran los
cromosomas los que portaban la información genética. Sin embargo, durante mucho tiempo, se supuso que
eran las proteínas cromosómicas las moléculas responsables de transportarla.
En 1928, el misterio comenzó a resolverse, cuando el microbiólogo británico Frederick Griffith inicia sus
investigaciones en búsqueda de la vacuna contra la neumonía. Griffith nunca encontró la vacuna, pero su
experimento abrió la puerta para investigaciones que luego demostraron que el ADN es la molécula de la
herencia.
1
Lo que Griffith descubrió fue la
transformación bacteriana, es decir, las
moléculas de la herencia podían pasar de una
bacteria a otra modificando el fenotipo. Sin
embargo, esto no esclareció si las moléculas
correspondían a proteínas o al ADN. En 1944, el
biólogo canadiense Oswald Avery y su equipo de
investigadores se propusieron identificar cuál
era la molécula de la herencia. Para conseguirlo,
aislaron las proteínas y el ADN de la cepa S y los
añadieron a cultivos de la cepa R, luego
analizaron el efecto de cada una sobre el
fenotipo de las células de la cepa R. El resultado
fue que solo el ADN produjo la transformación
bacteriana observada por Griffith, lo que
permitió identificar al ADN como la molécula
responsable de la herencia.
3. Composición química del ADN
El ADN o ácido desoxirribonucleico es un ácido nucleico y, como tal, es un polímero formado por moléculas
más pequeñas llamadas nucleótidos.
4. Estructura del ADN, el modelo de la doble hélice
Una vez que se determinó la composición química del ADN, faltaba conocer cómo se organizaban los
nucleótidos para formar la estructura del ADN, fundamental para comprender el funcionamiento de la
molécula. Diferentes investigadores competían por ser los primeros en descubrir la estructura del ADN.
Finalmente, en 1953, el norteamericano James Watson y el británico Francis Crick propusieron un modelo del
ADN, gracias al que obtuvieron el Premio Nobel en 1962, junto con Maurice Wilkins. Watson y Crick basaron su
modelo en otras investigaciones, entre ellas:
•
Investigación
de
Rosalind Franklin y
Maurice
Wilkins:
usando difracción de
rayos X obtuvieron
imágenes
que
mostraban la forma
helicoidal de la
molécula.
•
Investigación de Erwin Chargaff:
cuantificó las purinas y pirimidinas de
distintas especies y determinó que la
cantidad de nucleótidos de pirimidinas
es igual que la de nucleótidos de
purinas, (T+C) = (A+G); es decir, que la
cantidad de T es igual a la de A y que la
cantidad de G es igual a la de C en todas
las especies investigadas.
2
Las principales características de la molécula de ADN, establecidas por Watson y Crick en su modelo son:
•
•
•
•
El ADN está compuesto por dos cadenas de nucleótidos enrolladas que forman una doble hélice. Los
nucleótidos de una misma cadena, se unen entre sí con enlaces covalentes entre el carbono 3’ de la
pentosa de un nucleótido con el grupo fosfato unido al carbono 5’ del siguiente nucleótido.
Las pentosas y los grupos fosfato forman el esqueleto externo de la hélice y las bases nitrogenadas se
disponen hacia el interior.
Las bases nitrogenadas de ambas cadenas se unen con puentes de hidrógeno. La adenina se une
siempre con la timina, con dos puentes de hidrógeno, mientras que la guanina lo hace con la citosina
con tres de estos enlaces. Por lo tanto, las secuencias de nucleótidos son complementarias, por
ejemplo, la secuencia complementaria de GCATT es CGTAA.
Las dos cadenas de nucleótidos son antiparalelas. Los extremos de cada una de las cadenas son
denominados 5’-P (fosfato) y 3’-OH (hidroxilo) y las dos cadenas se alinean en direcciones opuestas,
como si una estuviera de pie y la otra de cabeza, quedando el grupo –OH del extremo 3’ de una de
ellas enfrentado al grupo fosfato del extremo 5’ de la cadena complementaria.
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II. REPLICACIÓN DEL ADN
Análisis de un experimento para determinar el
modelo de la replicación del ADN
Un requisito importante que debe cumplir toda
explicación de un fenómeno natural, para que sea
considerada una hipótesis, es que pueda ser puesta a
prueba; esto se realiza mediante dos procesos
fundamentales, la observación y la experimentación. A
continuación se describe un experimento clásico que
permitió poner a prueba tres hipótesis acerca del
mecanismo de la replicación del ADN: la replicación
conservativa, la semiconservativa, propuesta por
Watson y Crick en 1953, y la dispersiva.
4
1. Importancia del proceso de replicación
La división celular (etapa M) es la fase del ciclo celular en la que se originan dos nuevas células idénticas
entre sí, gracias a que cada una de ellas recibe una copia del material genético original. Por
lo tanto, antes de dividirse la célula debe copiar o replicar su ADN; de esta manera, cada célula hija recibe un
duplicado. La división celular es importante para los organismos unicelulares pues es su forma de reproducirse,
mientras que gracias a ella los organismos pluricelulares se desarrollan, crecen y reparan sus tejidos.
En el período S ocurre la replicación del ADN, para ello se necesita: una hebra de ADN patrón o molde;
enzimas que aceleren y regulen el proceso; ATP que aporta la energía; muchísimas moléculas de diferentes
tipos de nucleótidos, con los que se construirá la nueva molécula.
2. El modelo de doble hélice y la replicación del ADN
Antes de la fase S, el ADN eucariótico junto con las histonas forman la cromatina. Mientras el ADN está
condensado, no se replica. Por lo tanto, el ADN se debe separar de las histonas para iniciar la descondensación
de la cromatina. Una vez libre de las histonas, comienza el proceso de replicación, para lo cual es necesario
conocer la estructura del ADN.
2. 1 La replicación es bidireccional, semiconservativa y Semidiscontinua
A continuación se describe la secuencia de hechos que transcurre en el proceso de replicación.
1° Se separan las cadenas de nucleótidos, gracias a la ruptura de los puentes de hidrógeno que unen las bases
nitrogenadas de ambas cadenas.
2° A l separarse las cadenas, se forma la horquilla de replicación, estructura en forma de “ Y”, por la que se
desplazan las enzimas que catalizan la replicación del ADN.
3° El lugar donde se inicia la replicación se llama origen de la replicación. Es una secuencia específica de
nucleótidos a la que se unen las enzimas que iniciarán el proceso. En el ADN de eucariontes, existen muchos
orígenes de replicación, mientras que en el de procariontes, hay solo uno.
4° Desde cada origen, la replicación avanza
bidireccionalmente, observándose una burbuja
de replicación, que está formada por dos
5
horquillas que avanzan en direcciones opuestas.
5° En la burbuja de replicación, las enzimas específicas van uniendo los nucleótidos complementarios a las
bases nitrogenadas libres de la cadena original. La elongación de la nueva cadena complementaria siempre es
en dirección 5’ ➝ 3’, ya que solo en el extremo 3’-OH se puede unir un nuevo nucleótido.
6° Como las cadenas son antiparalelas, una vez formada la horquilla solo una de ellas tiene su extremo 3’-OH
libre y su cadena complementaria puede ser sintetizada sin interrupciones a medida que se abre la horquilla; a
esta se le llama hebra continua, adelantada o conductora. A la cadena complementaria, de aquella hebra
original que tiene 5’-P libre, se le conoce como discontinua o retrasada porque se sintetiza produciendo
fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki), que luego serán unidos por enzimas. Es por esto que la replicación
es semidiscontinua.
7° Cuando las enzimas encargadas de la replicación llegan cerca de los extremos de la cadena molde, se
encuentran con una secuencia de término, que indica el final del proceso.
8° Ahora, cada una de las moléculas de ADN resultantes contiene una de las cadenas del ADN de origen y otra
nueva, por eso se dice que la replicación es semiconservativa.
9° Cada molécula de ADN resultante se convertirá en una de las dos cromátidas que formarán un cromosoma
durante la mitosis.
3. La replicación es controlada por enzimas
La división celular (etapa M) es la fase del ciclo celular en la que se originan dos nuevas células.
Las enzimas, por su acción catalítica, aumentan la rapidez del proceso de replicación. La ADN
polimerasa es una enzima encargada, principalmente, de unir los nucleótidos, la mayoría de ellas lo hace en
dirección 5’ a 3’ y lo hacen según la complementariedad de las bases (A-T; G-C). La de procariontes une 500
nucleótidos por segundo y la de eucariontes une 50 nucleótidos por segundo.
Debido a la especificidad de sustrato de las enzimas, la fidelidad del proceso de replicación es muy alta,
especialmente en eucariontes, disminuyendo la tasa de mutaciones. Se estima que se produce un error cada
109 pares de bases añadidas. La fidelidad también se logra gracias a que la ADN polimerasa tiene actividad de
exonucleasa; es decir, corrige sus propios errores eliminando los nucleótidos mal apareados.
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Ejercicios
1. Resuelve las interrogantes a partir del experimento de Griffith
2. Siguiendo el modelo de Watson y Crick, dibuja la cadena de nucleótidos complementaria a la de la
figura y responde:
a. ¿Por qué se define el ADN cómo una doble hebra
antiparalela?
b. ¿Por qué una molécula de ADN con mayor porcentaje de
G+C es más difícil de separar que otra con mayor
proporción de A+T?
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3. Análisis del experimento de Meselson y Stahl
1. ¿Cuál es el objetivo de la investigación de Meselson y Stahl?
2.
3.
4.
5.
¿Por qué utilizaron nitrógeno en el diseño experimental?
¿Cuál es la importancia experimental de obtener tubos control, con ADN conocido?
¿Qué ventajas representa trabajar con bacterias, como E. coli?
Si este trabajo se hubiese realizado usando células eucariontes, ¿crees que se habrían obtenido los
mismos resultados? Fundamenta.
6.
Completa la interpretación parcial del experimento de Meselson y Stahl, dibujando las moléculas de
ADN de la segunda generación.
Cultivo con 15N
Cultivo con 14 N 1ª generación
Cultivo con 14 N 2ª generación
4. Responde las siguientes preguntas a partir del gráfico de variación de de la cantidad de ADN en el ciclo
celular.
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5. Responde las siguientes preguntas relacionadas con el proceso de replicación de ADN.
Fármacos genotóxicos El cáncer es la segunda causa de muerte en Chile y puede ser provocado por múltiples
sustancias llamadas agentes carcinógenos, como el alcohol y algunas contenidas en el humo del tabaco. Estos agentes
desencadenan una división celular descontrolada y con ello, el cáncer. Los fármacos genotóxicos dañan el ADN de las
células cancerosas o impiden la acción de las enzimas que lo replican. Sin embargo, estos fármacos tienen efectos
adversos, ya que también pueden dañar a las células saludables, especialmente a aquellas de rápida reproducción como
las intestinales. Asimismo, pueden provocar mutaciones y cánceres secundarios como la leucemia. Fuente: www.
cancerquest.org/index. cfm?lang=spanish&page=482
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6. Desarrollas la siguiente actividad:
III. 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.
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 RN A 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:
10
- 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.
1. 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.
Fig 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’. 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
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.
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Fig 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.
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
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empalme de los exones; secuencias que si llevan información, los. 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.
FIG Procesamiento del mRNA en eucariontes.
El proceso de splicing, catalizado por spliceosomas, ocurre sólo 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 premRNA 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
diferencial
del
Procesamiento
RNA mensajero.
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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 crossingover), y por lo
tanto aumentan la velocidad de evolución (de cambio).
2. CÓDIGO GENÉTICO
Las reglas del código
• El código genético es universal, pues casi
todos los seres vivos emplean exactamente el
mismo, lo que se interpreta como una
evidencia del origen común de los
organismos.
• Existen tríos de nucleótidos de ARN o
codones, que codifican cada uno de ellos para
un aminoácido específico.
• El código genético es redundante o
degenerado, porque la mayoría de los
aminoácidos pueden ser codificados por
varios codones. Existen 64 combinaciones de
codones posibles para los 20 tipos de
aminoácidos que se usan para construir los
polipéptidos.
• El codón AUG es el codón de inicio, al
mismo tiempo que codifica el aminoácido
metionina.
• Existen señales de término, que no codifican
aminoácidos, estos son los codones: UAA,
UAG y UGA
3. TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTÍDICAS
14
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.
• mARN (ARNm), 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,
aún 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 . 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).
Fig Un ribosoma.
• 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.
Fig Codón y anticodón.
• Aminoacil-tRNA sintetasa, una enzima clave.
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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 para cada aminoácido.
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.
• 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 Nformilmetionina. Por este motivo, el
primer aminoácido incorporado durante la
síntesis de muchas proteínas bacterianas
es una metionina modificada, la Nformilmetionina.
El inicio es algo diferente en los
eucariontes, donde el mRNA es
reconocido por la subunidad menor sólo
cuando ésta ha unido previamente la
molécula de tRNA iniciador cargado con el
residuo aminoacídico metionil, y algunos
factores de iniciación eucarióticos.
Fig Formación del complejo de iniciación.
B) Elongación.
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El proceso de elongación de la cadena
polipeptídica sobre un ribosoma se puede
considerar como un ciclo de tres etapas:
1) El tRNA cargado que se introduce en el sitio
A, vacío, quedará cerca de la Nfornilmetionilt-fMetRNA, 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 a
alguno de los codones de término.
Fig 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 subunidades ribosomales
y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser utilizados en una nueva
síntesis.
Figura. Terminación de la traducción.
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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’.
4. MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES
Las mutaciones en los organismos unicelulares se transmiten necesariamente a la
descendencia. En los organismos pluricelulares sólo 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.
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.
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Ejercicios
I. Responde las siguientes preguntas sobre transcripción.
1. En la representación del experimento de pulso y caza, ¿qué molécula representan los puntos grises?
El experimento de pulso y caza, consistente en mantener células en un medio de cultivo con nucleótidos de
uracilo, base exclusiva del ARN, marcados con radiactividad.
2. Transcribe el ARNm, a partir de la secuencia: 5’ TACTGTCGT 3’.
3. ¿Cuál es la función de las enzimas girasa (topoisomesa), helicasa y ARN polimerasa II en la
transcripción?
4. ¿Cuál es la diferencia entre promotor y sitio de inicio?
5. ¿Qué efectos sobre la proteína sintetizada puede tener una mutación en la secuencia de término?
6. Según la figura anterior, construye tres nuevas combinaciones de exones.
II. Responde las siguientes preguntas sobre las proteínas
1. La imagen representa la estructura cuaternaria de una proteína. Al
respecto, responde:
a. ¿Cuántas cadenas polipeptídicas identificas?
b. ¿Cuántos ARNm maduros distintos fueron necesarios para su síntesis?
2. Si todas las proteínas están hechas de aminoácidos, ¿en qué se diferencian?
3. ¿En qué lugar de la célula se fabrican las proteínas?
4. En un segmento de la estructura primaria de una proteína se reconoce la siguiente secuencia de
aminoácidos: tirosina (Tyr)- cisteína (Cys)- serina (Ser). Escribe una secuencia de bases posible,
correspondiente a los codones, y la secuencia de bases de la hebra de ADN a partir de la cual se
transcribió el ARN.
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III. Completa la siguiente tabla que compara los procesos de transcripción y replicación.
IV.
La siguiente es parte de la secuencia de bases de un gen que codifica una proteína humana. Con ayuda
del código genético.
CTC AAT GTA TAC AAG GGC TGG TAG TAC GGC GAC AGG GCA GAC AAG CTG TTG ATC CGT TAT
a) Identifica la secuencia de inicio.
b) Identifica la secuencia de término.
c) Escribe la secuencia de codones que codificaría para la secuencia de aminoácidos.
d) Escribe la secuencia de los aminoácidos hasta que aparezca la secuencia de término.
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V. Describe como es la estructura de un gen en eucariotas, a partir de la siguiente imagen utilizando los
conceptos que corresponden.
VI. Responde las siguientes preguntas de alternativas
1. ¿En cuál(es) de las siguientes estructuras existe transcripción del material genético?
I) Mitocondrias
II) Células procariontes
III) Ribosomas
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y II
E) Sólo II y III
2. Señale la aseveración falsa respecto a ADN y ARNm:
A)
B)
C)
D)
E)
el azúcar en el ARNm es ribosa en lugar de desoxirribosa como en el ADN.
el ARNm se origina del ADN nuclear.
en el ARNm la timina es reemplazada por uracilo
tanto el ADN como el ARNm están formados por cadenas de nucleótidos.
a diferencia del ADN, el ARNm no se encuentra en mitocondria y cloroplasto.
3. La replicación del ADN en eucariotas comienza:
A)
B)
C)
D)
E)
en uno o más sitios específicos en un cromosoma, en forma unidireccional.
en uno o más sitios específicos en un cromosoma, en forma bidireccional.
en sitios al azar a lo largo del cromosoma, en forma unidireccional.
desde el centrómetro bidireccionalmente.
en el telómero del cromosoma.
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4. En células eucariontes el ARN maduro a diferencia del transcrito primario presenta
I) solamente intrones.
II) cola de poli-A en el extremo 3`
III) capuchón CAP en el extremo 5`
A) Sólo I.
B) Sólo II.
C) Sólo III.
D) Sólo II y III.
E) I, II y III.
5. La síntesis de una cadena polipeptídica en células eucariontes requiere de varios procesos o etapas.
¿Qué procesos requieren directamente la interacción de bases complementarias?
I.
II.
III.
IV.
A)
B)
C)
D)
E)
Formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos.
Reconocimiento entre el codón y anticodón respectivo.
Corte de intrones y empalme de exones en el ARN.
Transcripción de la información contenida en el ADN.
Solo I y II.
Solo II y III.
Solo II y IV.
Solo III y IV.
I, II y III.
6. La molécula directamente responsable de traducir el mensaje nucleotídico del RNAm en un
lenguaje aminoacídico corresponde a el (las)
A) enzimas.
B) proteínas.
C) DNA nucleolar.
D) RNA ribosomal.
E) RNA de transferencia.
7. Complete correctamente la siguiente idea: " La...................... de nucleótidos del DNA
determina la secuencia lineal de....................... de las proteínas, de modo que los genes
determinan la forma y función de las proteínas, las que a su vez son responsables
del................. del individuo.
A) Cadena; aminoácidos; metabolismo.
B) Secuencia; aminoácidos; fenotipo
C) Composición; monómeros; fenotipo.
D) Secuencia; estructuras; metabolismo.
E) Cadena; aminoácidos; genotipo.
8. Si el DNA contiene la información para la síntesis de proteínas, entonces, el responsable irecto
de
la
síntesis
de
los
carbohidratos
la materia viva corresponde a el (las)
y
lípidos
que
existen
en
A) enzimas.
B) ribosomas.
C) nucleosomas.
D) ácidos ribonucleicos.
E) retículo endoplasmático.
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9. 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.
10. El siguiente esquema muestra etapas de la transcripción del DNA. Se señala la hebra molde
(no codificante) de DNA que es transcrita por la enzima RNA polimerasa. El orden correcto
para este proceso es
A) A,B,C,D
B) C,D,A,B
C) B,A,D,C
D) B,A,C,D
E) C,D,B,A
11. Usted es un ingeniero genético con estudios de biología molecular y en un trabajo de
investigación microinyectó RNA de secuencia 5´ UUU UUU UUU UUU 3´ en células bacterianas
de Listeria monocytogenes y se formó un polipéptido con una secuencia de un aminoácido
único y en células de roble chileno (Nothofagus oblicua) se formó otro polipéptido también
con una secuencia de aminoácidos única, pero totalmente diferente al anterior. La propiedad
del código genético que podría ser cuestionada con este hipotético resultado experimental
sería su
A) continuidad.
B) ambigüedad.
C) degeneración.
D) universalidad.
E) no sobreposición.
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.
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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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