2016 Unidad 08 Biosint - WordPress.com...Las estructuras membranosas como la envoltura nuclear,...

UNIDAD 8

OBJETIVOS:

• Interpretar el Ciclo de Vida de las Células

• Esbozar los mecanismos de transcripción y traducción de la información genética

• Comprender el concepto de Código Genético

• Interpretar el fenómeno de mutación

• Interpretar el modelo de regulación genética del Operón

CONTENIDOS:

• El Ciclo Celular y sus etapas

• Trascripción y Traducción de la Información Genética

• Código Genético

• Mutaciones

• Regulación de la Biosíntesis Proteica: el Operón Lac

Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial. 1

CICLO CELULAR Introducción Como unidades altamente organizadas en un universo que favorece el desorden, las células están sujetas tanto al desgaste y a la destrucción como a los accidentes. Entonces, si un organismo debe continuar tendrá que generar nuevas células a la misma velocidad a la que mueren sus células. Por esta razón, la división celular es de importancia capital para la vida de todos los organismos. Pero antes que una célula típica pueda dividirse, debe duplicar su masa y todos los elementos que contiene: tiene que duplicar el ADN, sintetizar más histonas (proteínas que se asocian al ADN), producir una cantidad de organelas adecuada para las dos células hijas y sintetizar las estructuras necesarias para realizar la división celular. Sólo de esta forma es posible que las dos nuevas células hijas contengan todos los componentes que necesitan para iniciar su propio ciclo de crecimiento celular, después de la división. Es decir que las células al dividirse, pasan por una secuencia regular de crecimiento y división celular: el ciclo celular. A su vez, el ciclo celular tiene sistemas de control, que regulan tanto las diferentes actividades celulares como la velocidad a la que se producen, operando a través de "frenos" moleculares. Estos controles pueden detener el ciclo celular en “sitios” de control o momentos determinados en la vida de una célula.

Organización el ciclo celular Las primeras observaciones al microscopio óptico, determinaron dos periodos principales del ciclo celular: La división celular y la interfase. En la división celular se observa una gran actividad de reorganización y movimiento en la célula, donde el ADN se condensa haciéndose entonces visibles los cromosomas. La división consiste en dos procesos secuenciales: la división del núcleo o cariocinesis en la que se produce la separación de los cromosomas de manera tal que a cada célula hija se le asignará así un juego completo de cromosomas, y la división posterior del citoplasma o citocinesis. Cabe aclarar que la división celular puede ser mitosis para células somáticas o meiosis para células especializadas en la reproducción sexual. La interfase, que comprende la mayor parte del ciclo celular, se llama así por transcurrir entre dos mitosis. En este periodo no se observaba proceso activo alguno salvo un incremento en el tamaño celular. El avance tecnológico permitió identificar los diferentes procesos que se producen en la interfase, descartando la idea primitiva de inactividad o reposo y determinando la secuencia ordenada de los complicados y elaborados preparativos que finalizan con la división celular. Todo esto condujo a subdividir a la interfase en 3 fases consecutivas: G1, S y G2.

En resumen, las diferentes actividades metabólicas que tienen lugar en el ciclo celular pueden dividirse en una secuencia de cuatro fases: G1, S, G2 y M ó división celular. Una reproducción exacta de la célula requiere que todas estas fases estén coordinadas.


Existen ciclos celulares donde estos eventos no siguen la secuencia ya señalada. Ejemplo de ello son los ciclos celulares básicos de meiosis en los cuales se realizan dos fases M secuenciales sin participación de fases S. Contrariamente, hay ciclos con fases S repetidas, sin intervención de fases M, conocidos como endociclos. Una tercer variación es aquella vista en los ciclos interrumpidos, como aquellos que ocurren después de la fertilización de huevos de anfibios. Estas células se caracterizan porque sufren ciclos extremadamente rápidos, con fases S y M alternadas, sin crecimiento celular. Es importante señalar que la división celular nunca ocurrirá si esos procesos son ejecutados en una forma azarosa y que existen mecanismos que establecen la secuencia de cada uno de los eventos del ciclo (crecimiento, duplicación del ADN, división) en cada especie.

Las fases del ciclo celular

1- La Interfase

Durante la interfase tienen lugar acontecimientos conocidos, en su globalidad, como “crecimiento”. Estos incluyen la síntesis de nuevas organelas, la síntesis de proteínas y la replicación del ADN. Como hemos mencionado anteriormente, el periodo de interfase se divide en las etapas G1, S y G2.

Fase G1: es un período de intensa actividad metabólica. El tamaño de la célula se duplica y sus enzimas, ribosomas, mitocondrias y otras moléculas y estructuras citoplasmáticas se


duplican más o menos en su número. Algunas estructuras celulares pueden sintetizarse completamente de novo en la célula, como los microtúbulos, microfilamentos y ribosomas. Las estructuras membranosas como la envoltura nuclear, Sistema de Golgi, lisosomas, vacuolas y vesículas, derivarían del retículo endoplasmático que se renueva y agranda. Las mitocondrias y cloroplastos sólo se producen a partir de mitocondrias y cloroplastos preexistentes (recordar que son organelas semiautónomas). Las células de diferentes tejidos se dividen a velocidades muy diferentes, es decir que poseen distinta duración de sus ciclos celulares y esta variación se observa, principalmente, en la duración de la etapa G1. Eventualmente, una célula puede salir de G1 y entrar en otra etapa llamada G0. Si esto ocurre, la célula continúa sus actividades metabólicas pero no ingresa a la segunda etapa del ciclo, la fase S, por lo tanto no presenta un ciclo celular pues no se reproduce. Un ejemplo de este tipo de células lo representan las células cardíacas y las células nerviosas, que nunca de dividen y permanecen constantemente en la etapa G0. Fase S: la célula duplica todo su ADN y sintetiza histonas, que se unirán al ADN . Al final de esta etapa, la célula contiene el doble de la cantidad de ADN que poseía al inicio de la misma. Los cromosomas se han replicado, se dice que cada cromosoma consiste ahora en dos “cromátidas hermanas” idénticas. Fase G2: es una fase de preparación para la división en la cual la célula sintetiza proteínas relacionadas con la división celular y realiza el ensamblaje de los centríolos (cuyas proteínas habían sido sintetizadas en la etapa G1). Se sintetizan también proteínas que formarán las fibras del huso acromático, estructura clave para la separación de los cromosomas en la fase de división.

2- La división celular

La división celular culmina con el ciclo de la célula. Para que una célula se pueda dividir se han de producir dos procesos distintos. En primer lugar, el ADN que se ha replicado en la fase S se debe repartir equitativamente entre las dos futuras células hijas (cariocinesis o división del núcleo). En segundo lugar, el citoplasma se ha de segmentar de manera tal que de asegurar que a cada célula hija reciba también los elementos y organelas citoplasmáticas necesarias (citocinesis o división del citoplasma). Las células somáticas (células de todos los tejidos del cuerpo) se dividen por mitosis, originando luego de la división dos células idénticas entre sí e idénticas a la que les dio origen. En la meiosis, división celular exclusiva de células sexuales, se producen gametas, que poseen la mitad de la información genética que la célula original y su único propósito es la reproducción sexual.

Aunque los detalles de cada ciclo celular eucariota varían entre los organismos, los puntos esenciales son comunes a todos ellos. En un ciclo celular que produce dos células hijas idénticas, el ADN se duplica, se segrega y finalmente la célula original se divide para dar lugar a dos células nuevas independientes, cada una con una dotación genética idéntica a la de su hermana.

La regulación y control del ciclo celular Las experiencias con levaduras y la fisiología celular de los anfibios dieron las primeras pautas para comprender la regulación del ciclo celular, es decir, los factores que regulan la duración de la fase G1 o, dicho de otra forma, los factores de determinan el final de una


etapa y el inicio de la siguiente. El interpretar estos fenómenos nos permite llegar a la comprensión del programa que controla la reproducción celular. El desarrollo de nuevas tecnologías ha revelado que los mecanismos que controlan el ciclo celular han sido conservados a través de la evolución de las células eucariontes. Se han podido identificar algunos genes, como por ejemplo los genes supresores de tumores como el p53, y moléculas responsables de este programa que en conjunto controlarían la duración del ciclo celular como así la progresión de una fase a la otra. Estos estudios nos muestran que las moléculas responsables de esta regulación corresponden a vías metabólicas comunes, evolutivamente conservadas, desde las levaduras hasta las células eucariontes de mamíferos superiores. Es conocido que, en cierto momento, las células normales cesan su crecimiento, ya sea por la falta de nutrientes, la falta de espacio u otros factores, y se detienen en un momento tardío de la etapa G1 llamado punto R o punto de restricción. Una vez sobrepasado el punto R, las células completarán el resto del ciclo y finalmente se dividirán. La naturaleza del control, o de los controles, que actúan en el punto R sigue siendo objeto de intensa investigación, no sólo a raíz de su interés como mecanismo biológico, sino también por su importancia potencial en el control del cáncer. El pasaje de la célula a través del punto R depende de la integración del conjunto de señales externas e internas que recibe. Otro mecanismo de control se lleva a cabo durante el proceso mismo de duplicación del material genético, en la fase S, y asegura que la duplicación ocurra sólo una vez por ciclo. Luego, la célula entra en la fase G2 del ciclo. En G2, existe otro punto de control en el cual la célula "evalúa” si está preparada para entrar en mitosis. Este control actúa como un mecanismo de seguridad que garantiza que solamente entren en mitosis aquellas células que hayan completado la duplicación de su material genético. Veamos entonces en qué consisten algunos de esos mecanismos de regulación y control y cómo operan en particular en ciertos momentos del ciclo celular. En el control del ciclo celular intervienen complejos proteicos formados por dos tipos de moléculas: 1) Las ciclinas: son proteínas activadoras cuya concentración varía a lo largo del ciclo celular dado que alternan un período de síntesis creciente seguido por otro de rápida degradación. Constituyen la parte reguladora del complejo. 2) Las quinasas dependientes de ciclinas (Cdk): enzimas cuya concentración es constante a lo largo del ciclo y cuya activación depende de las ciclinas que así las regulan. Una vez activadas actúan fosforilando (agregando grupos fosfato) y activando como consecuencia a otras proteínas cruciales del ciclo celular. Constituyen la parte catalítica del complejo regulador del ciclo celular. Las quinasas dependientes de ciclinas solamente se activan cuando la concentración de la ciclina correspondiente alcanza un determinado umbral, es decir cuando su concentración es máxima. Este es un requisito indispensable para que las dos proteínas puedan unirse y formar así un complejo proteico. El ensamblado de las Cdk con las ciclinas, su activación y el desensamblado constituyen un proceso cíclico que dirige la sucesión de las distintas fases del ciclo celular. Existen varios tipos de ciclinas que pueden agruparse en dos clases principales: las ciclinas de G1 y las ciclinas mitóticas. Las ciclinas de cada una de estas clases actúan en la fase correspondiente del ciclo celular. A continuación veremos como se produce el control del ciclo celular, en células normales, mediado por ciclinas y quinasas en dos puntos clave: la transición entre G1 y S, y la transición entre G2 y la división. Transición de G1 a S


A lo largo de la fase G1 va aumentando progresivamente la concentración de la ciclina G1 hasta que la misma alcanza un umbral de concentración. Como consecuencia la quinasa dependiente (Cdk2) se activa y forma con la ciclina G1 un complejo denominado FPS (factor promotor de la fase S). La quinasa una vez activada fosforila a una serie de complejos proteicos relacionados con la duplicación del ADN lo que desencadena el inicio de dicho proceso, es decir que ha comenzado la fase S. Dado que en un punto de la fase S la concentración de la ciclina G1 comienza a declinar quedando por debajo del umbral anteriormente citado, se separa de la Cdk2 con lo cual el FPS desaparece. Esto permite controlar y asegurar que el ADN se duplique solo una vez por ciclo celular. Transición de G2 a la división La ciclina mitótica se acumula en forma gradual durante G2 hasta alcanzar un determinado umbral de concentración y se une a la quinasa Cdk1 formando el complejo proteico llamado FPM (factor promotor de la mitosis). La Cdk1 ahora activa fosforila ciertas proteínas específicas, induciendo así los cambios estructurales que conducen a la mitosis. Entre ellos, se pueden mencionar la condensación de los cromosomas, producida por fosforilación de una de las histonas, la desorganización de la envoltura nuclear y la organización de los microtúbulos formando el huso mitótico. Todos estos eventos se revierten al concluir la división celular ya que las proteínas que los protagonizan se defosforilan al desactivarse la Cdk1, hecho que ocurre cuando la concentración de la ciclina mitótica cae a un nivel inferior al umbral requerido.

Entrada en

mitosis

Degradación

Degradación

Cdk2

Ciclinas

G1

R

FPS

Cdk1

Ciclinas

mitóticas S

G2

Mitosis G1 FPM


La regulación del ciclo celular determina un control sobre la división y el crecimiento celular. Los fallos o errores en la regulación normal del ciclo celular pueden conducir a enfermedades como el cáncer. Algunos de los factores y proteínas que regulan los diferentes eventos del ciclo celular son: - Transición G1-S: Ciclina G1, Cdk2, constitución del FPS - Transición G2-división: Ciclina mitótica, Cdk1, constitución del FPM

¿Qué ocurre con el control del ciclo celular en células anormales, o sea con daños severos en su ADN? Se ha observado en estos casos un incremento en la concentración de una proteína denominada p53. Dicha proteína actúa bloqueando el ciclo celular si el ADN está dañado. Este bloqueo otorga tiempo para intentar reparar el ADN. Si este daño es muy severo esta proteína puede desencadenar lo que se conoce como apoptosis (muerte celular programada). Una mutación de la proteína p53 es la condición más frecuente que conduce al cáncer. En el síndrome de Li Fraumeni, un defecto genético en la p53 determina una alta frecuencia de cáncer en los individuos afectados. También puede actuar otra proteína en casos de daño del ADN, la p27 que puede unirse a la ciclina G1 y a la Cdk2 inactivándolas y bloqueando así la entrada en la fase S.

En adelante se analizarán los principales procesos que ocurren en las etapas G1 y G2, es decir, la serie de eventos que determinan la síntesis de proteínas.

LA SINTESIS DE PROTEINAS Antes de comenzar a describir los procesos que conducen a la síntesis de proteínas, es conveniente que repase las características del ADN que han sido descriptas en el instructivo 2 correspondiente a las biomoléculas.

Para poder sintetizar una proteína es necesario “buscar” y copiar la información necesaria que está contenida en el ADN, pues en la secuencia de sus nucleótidos se encuentra la “receta” o información para construir una proteína. El esquema que se observa a continuación representa lo que se conoció como el Dogma Central de la Biología. Transcripción Traducción

Duplicación ADN ARN PROTEINAS

del ADN

Aquí puede apreciarse que el flujo de información va desde el ADN a las proteínas por medio de dos procesos en serie. Por un lado, la transcripción que consiste en la síntesis de una molécula de ARN que será copiada a partir de una zona específica del ADN. Por el otro, la traducción que implica la síntesis de una proteína con la información transcripta en el ARN. También se indica la autorreplicación del ADN, proceso que ocurre durante la etapa S del ciclo celular (será analizado en el instructivo 9). Es importante destacar que la


trascripción y la traducción son independientes de la Duplicación del ADN. Así, una célula que permanece en G0, como por ejemplo la neurona, puede realizar una activa síntesis proteica.

El ADN posee la información necesaria para sintetizar proteínas. Su secuencia de nucleótidos determina la secuencia final de aminoácidos en la proteína, y este orden en los aminoácidos, lo que se conoce como estructura primaria, define la función biológica de la proteína.

Pasaje de la información del ADN al ARN: La transcripción El proceso de síntesis de ARN o transcripción, consiste en hacer una copia complementaria de un segmento de ADN. El ARN se diferencia estructuralmente del ADN porque es monocatenario (está formado por una única cadena), posee ribosa (azúcar pentosa) y porque posee uracilo, base nitrogenada que reemplaza a la timina del ADN. A continuación, describiremos en forma general el proceso de la transcripción tanto en procariontes como en eucariontes . El primer paso en la síntesis de ARN o etapa de iniciación consiste en la asociación de una enzima, la ARN-polimerasa, a una región del ADN específica denominada promotor. El promotor tiene alta afinidad por la enzima por lo que le proporciona a la misma su sitio de unión al ADN. A continuación, la enzima desenrolla una vuelta de hélice del ADN, para lo cual debe separar las histonas que están unidas al ADN y separar también ambas cadenas complementarias del ADN a través de la ruptura de los enlaces puente de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias. Esto genera una burbuja de replicación en la cual ambas cadenas del ADN permanecen separadas en un pequeño tramo. En la etapa de elongación, de las dos hebras separadas del ADN, la ARN polimerasa toma como molde a la hebra 3´5´ del ADN. La ARN-polimerasa se desplaza entonces por la hebra patrón, insertando ribonucleótidos, y siguiendo la complementariedad de bases con respecto a la hebra molde, sintetizando así una hebra de ARN con sentido 5´3´. Veamos un ejemplo: 5ÁTCGGAATTGCCGG 3´

Secuencia de ADN 3´TAGCCTTAACGGCC 5´ hebra molde

Transcripción

Secuencia de ARN complementaria 5ÁUCGGAAUUGCCGG 3´

Es decir que la ARN polimerasa lee la hebra molde de ADN en sentido 3´5ý sintetiza la hebra de ARN complementaria en dirección 5´3´. Los sustratos que requiere la ARN polimerasa para la transcripción son los ribonucleótidos trifosfatados (ATP, CTP, GTP y UTP), que antes de ser incorporados a la hebra del ARN en crecimiento sufren la hidrólisis de dos enlaces fosfato lo que brinda la


energía necesaria para la síntesis del ARN (la transcripción es un proceso evidentemente anabólico y endergónico). O sea que la energía necesaria para la transcripción la proveen los sustratos mismos. Mientras transcurre la transcripción se genera una hebra híbrida ADN-ARN transitoria, pero a medida que se avanza en la transcripción, la cadena de ARN se libera y el ADN restablece su estructura bicatenaria, uniéndose nuevamente a su hebra complementaria. La transcripción concluye, en la etapa de terminación, cuando la ARN polimerasa reconoce una secuencia específica del ADN que actúa como señal de terminación. El producto final obtenido será una molécula de ARN. El siguiente esquema muestra cómo la ARN polimerasa inicia la síntesis a partir del promotor y termina la síntesis en una señal especial de terminación, tras lo cual se liberan la ARN polimerasa y la hebra de ARN (una cadena de 5000 nucleótidos tarda aproximadamente 3 minutos en sintetizarse).


Resumamos los requisitos de la transcripción:

- Un ADN molde, con una región promotora que marcará el inicio de la transcripción, y una secuencia de terminación que indica el fin del proceso. - Una enzima, la ARN polimerasa que: reconoce al promotor y secuencia de terminación, abre la hélice del ADN, lee la hebra molde 3´5´, reconoce y ubica a los ribonucleótidos complementarios, polimeriza los sustratos en dirección 5´3´. - Sustratos: ATP, CTP, GTP, UTP. - Una fuente de energía: los sustratos mismos.

Si bien el proceso de transcripción es similar en todos los tipos celulares, existen algunas diferencias que mencionaremos a continuación.

La transcripción en los Procariontes El proceso se lleva a cabo en la matriz citoplasmática. Poseen un solo tipo de ARN polimerasa que en la primera etapa o etapa de iniciación, se une a un cofactor. Este cofactor permite que la enzima reconozca en forma eficaz y se acople a una región del ADN llamada promotor, la cual posee una secuencia de nucleótidos específica (TATAAT ó TTGACA). Luego, en la siguiente fase o etapa de elongación, la ARN polimerasa recorre la hebra de ADN hacia su extremo 5´. A medida que va “leyendo” la cadena de ADN agrega ribonucleótidos en forma complementaria con éste, sintetizando de esta forma, una hebra de ARN en dirección 5´-3´. En la etapa de finalización la ARN polimerasa llega a una secuencia rica en G y C, que indica la terminación de la cadena. El ADN recupera su estructura y el ARN queda libre. En las células procariontes, el ARNm transcripto es posteriormente traducido sin sufrir modificaciones mientras que los ARNt y ARNr sufren procesos de maduración . Los ARNm procariontes tienen la particularidad que cada uno codifica para más de una proteína, es decir que son ARNm policistrónicos.

La transcripción en eucariontes

El proceso se lleva a cabo en el núcleo. Las células eucariontes poseen tres tipos de enzimas ARN polimerasas, que son ARN polimerasa I, II y III. Cada una de ellas se ocupa de la síntesis de diferentes moléculas de ARN: - ARN polimerasa I: transcribe el ARN ribosomal 45S, que constituye posteriormente la subunidad mayor del ribosoma. - ARN polimerasa II: transcribe los ARN mensajeros. - ARN polimerasa III: transcribe los ARN de transferencia y el ARN ribosomal 5S.

En la fase de iniciación, la enzima ARN polimerasa II, que se ocupa de la transcripción del ARN mensajero), se une al sitio promotor. Los promotores en células eucariontes consisten en determinadas secuencias de nucleótidos. Una de ellas, llamada caja TATA, está formada por nucleótidos de timina y adenina. Existen otras secuencias llamadas cajas CAAT y CG, cada una de ellas con secuencias de bases específicas. La ARN polimerasa


reconoce eficazmente al promotor del ADN por intermedio de proteínas llamadas factores basales de transcripción. Estas proteínas, además de iniciar la síntesis de ARN controlan y regulan la transcripción de determinados genes (ver regulación de la transcripción )

Una vez iniciada la transcripción, la ARN polimerasa comienza a ubicar los ribonucleótidos complementarios a la secuencia de ADN que está copiando, continuando la síntesis en sentido 5´-3´. Si bien aún no se ha identificado una señal de terminación en el ADN, se ha observado que cuando el ARN transcripto posee una secuencia AAUAAA, la transcripción finaliza. En este sector actúa una enzima que corta la cadena unos nucleótidos después de esta secuencia. Este tipo de enzimas, capaces de romper los enlaces fosfodiéster que unen los nucleótidos, se denominan endonucleasas. Los ARN de transferencia y ribosomales se transcriben de otros sectores del ADN, a través de la acción de ARN polimerasas específicas. Los ARNm transcriptos, a diferencia de los procariontes, sufren una serie de modificaciones antes de ser traducidos. Lo mismo sucede con los ARNr y ARNt. Cada ARNm eucarionte posee información para una sola proteína, son monocistrónicos.

Las diferencias más importantes en la transcripción en procariontes y eucariontes son:

- En procariontes hay un solo tipo de ARN polimerasa, en eucariontes tres tipos diferentes. - Los procariontes no requieren de factores de transcripción mientras que en eucariontes son imprescindibles - Las secuencias promotoras y de terminación son distintas en procariontes y eucariontes - En procariontes, el ARNm no es procesado mientras que los ARNr y ARNt sí. En eucariontes todos los ARN son procesados. - En procariontes los ARNm son policistrónicos, en eucariontes los ARNm son monocistrónicos. - En procariontes ocurre en el citoplasma y en eucariontes en el núcleo.

Maduración o procesamiento de los distintos ARN

En células eucariontes, los diferentes ARNs son modificados antes de salir del núcleo y comenzar la síntesis de proteínas.

- Procesamiento de los ARN mensajeros Contienen la información que codifica la estructura primaria de una proteína. Al ARNm recién transcripto se lo denomina ARNm transcripto primario. Posee secuencias con información para la proteína, llamadas exones, y secuencias sin información, intercaladas, llamadas intrones. El siguiente esquema representa al transcripto primario:


Este transcripto primario sufrirá varios procesos que lo modifican. Entre estas modificaciones se mencionarán:

1) Capping: consiste en el agregado de un capuchón en el extremo 5´ del ARNm, tal como muestra el esquema. El capuchón o cap es una molécula de 7-metil-guanosina (un nucleótido modificado). Esta puede agregarse durante la transcripción y su función es impedir la degradación enzimática del ARNm inmaduro. El capuchón participa en el reconocimiento por parte del ARNm del ribosoma en el proceso de traducción. También juega un rol importante en el proceso de corte y empalme.

2) Poliadenilación: implica el agregado en el extremo 3´del ARNm de lo que se conoce como cola poli A. La cola poli A está formada por alrededor de 200 adeninas y se agrega a la molécula de ARNm por la acción de una enzima específica. Participa en el proceso de exportación del ARNm desde el núcleo al citoplasma y contribuye a evitar su degradación dentro del núcleo. El siguiente esquema muestra al transcripto primario luego del agregado de la cola poli A:

3) Corte y empalme del ARNm transcripto primario o splicing: En el proceso de “corte” y “empalme”, los intrones son removidos del transcripto primario, mientras se unen los exones, produciendo una molécula más corta que la inicial, llamada ARNm maduro, tal como muestra el siguiente esquema:

El splicing es muy preciso y se lleva a cabo por un complejo denominado espliceosoma que consiste en una asociación entre proteínas y un tipo de ARN pequeño. La función del espliceosoma consiste en, por un lado reconocer el inicio y final de cada intrón y por el otro,


eliminar los intrones de la secuencia de ARN y empalmar a continuación los exones. Todos estos eventos se muestran en la siguiente figura (las esferas representan al espliceosoma):

Existen genes eucarióticos que no tienen intrones, como es el caso de algunos genes de levaduras y otros, como el gen de la distrofina humana (relacionado con la enfermedad de Duchenne) contiene más de 60 intrones. En general, los organismos procariontes no tienen intrones (si bien existen algunas excepciones). En cambio, las arquebacterias (las bacterias más primitivas, que se supone dieron origen a las actuales) contienen algunos intrones en su genoma. - Procesamiento de los ARN de transferencia Son los ARN más pequeños, presentan zonas de complementariedad intracatenaria (dentro de la misma cadena) cuando la molécula se pliega sobre sí misma. Estos plegamientos les confieren una estructura característica semejante a la de una hoja de trébol. Un plegamiento posterior en el ARNt hace que adquiera la forma de la letra L debido al apareamiento entre algunos nucleótidos. La forma L es la que actúa en la síntesis proteica. Otra modificación que sufren que los ARNt consiste en la eliminación de un intrón. Existen distintos ARNt dentro de la célula, que difieren en dos zonas: la región 3' terminal, capaz de unirse a un aminoácido específico y una porción intermedia denominada anticodón que consiste en un triplete de nucleótidos. El anticodón es fundamental en el momento de la síntesis proteica, pues reconoce el codón (secuencia de tres nucleótidos en el ARNm) y se une a él en forma complementaria.


En el esquema de la derecha los nucleótidos están dispuestos de manera tal que muestran un apareamiento de bases que da lugar a un plegamiento del ARNt. En el de la izquierda, se muestra un dibujo esquemático de la forma real de la molécula de ARNt.

- Procesamiento de los ARNr

Los ARN ribosomales son transcriptos en varias moléculas iniciales o precursoras, que finalmente se unen para forman las dos subunidades que forman el ribosoma. Luego de un procesamiento específico (ver figura) que consiste en la eliminación de ciertas secuencias, los ARNr maduros se unen a proteínas formando complejos ribonucleoproteicos (ribosomas) en una zona del núcleo celular llamada nucleolo.

Procesamiento del ARNr 45 S

Como se expresara anteriormente, cada ribosoma está compuesto por dos subunidades, una mayor y otra menor, identificadas como 60S y 40S en eucariontes y 50S y 30S en los


procariontes respectivamente (los números hacen referencia a los coeficientes de sedimentación, que indican las velocidades con que sedimentan las subunidades cuando son ultracentrifugadas). Ribosoma procarionte Ribosoma Eucarionte En todo ribosoma, la subunidad menor posee dos sitios consecutivos, denominados sitio P (por peptidil) y sitio A (por aminoacil). Por otro lado, la subunidad mayor presenta un túnel por el que sale la cadena polipeptídica a medida que se sintetiza.

Diagrama esquemático de un ribosoma con sus distintas partes.


Relación entre la secuencia de bases en el ARNm y las proteínas El código Genético La comprensión del código genético implica el conocimiento de la herencia, el mecanismo por el cual la información contenida en la molécula de ADN no sólo puede ser transferida de una generación a la siguiente, sino la forma en que puede expresarse y determinar las características de un organismo. Para poder dilucidar el código genético fue necesario entender las relaciones entre el ADN y las proteínas. Si las proteínas con sus 20 aminoácidos, constituyen el "lenguaje de la vida" (metáfora de los años 40) la molécula del ADN, con sus cuatro bases nitrogenadas, representan el código de este lenguaje. Los científicos comenzaron a plantearse la relación entre los 20 aminoácidos biológicamente importantes y los 4 nucleótidos diferentes. Si cada nucleótido "codificara" un aminoácido, sólo podrían traducirse en este lenguaje cuatro aminoácidos. Si dos nucleótidos especificaran un aminoácido, utilizando todas las combinaciones posibles, darían un total de 42, es decir 16 posibilidades o combinaciones, pero todavía no alcanzarían para los 20 aminoácidos. Por consiguiente, cada aminoácido esta codificado por 3 nucleótidos. Esto proporcionaría 43 ó 64 combinaciones posibles, lo cual es suficiente para codificar los 20 aminoácidos. No olvidemos que la combinación de los 20 aminoácidos produce todas las proteínas que una célula sintetiza, como si fueran las letras de un abecedario que forman las miles de palabras en un lenguaje. Cada uno de los tripletes de nucleótidos presentes en el ARNm se lo llama codón. En otras palabras, el código genético es como un diccionario que establece una equivalencia entre la secuencia de nucleótidos del ADN y la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Como se indicó anteriormente, cada aminoácido está codificado por tres bases nitrogenadas o tripletes. Sesenta y un tripletes codifican aminoácidos y los tres tripletes restantes indican la terminación del mensaje. Una sencilla cuenta nos indica que bastarían solo veinte tripletes para codificar todos los aminoácidos. ¿Qué sucede con los tripletes que “sobran”? Ya se ha indicado que tres tripletes señalan la terminación de la cadena (señal STOP): UGA, UAA Y UAG. Entre los sesenta y un tripletes que codifican aminoácidos habrá algunos que deberán codificar para el mismo aminoácido. De hecho, existen tripletes “sinónimos”, es decir, tripletes diferentes que codifican el mismo aminoácido. Por ejemplo, los codones CUU,CUC, CUA y CUG codifican para el mismo aminoácido, leucina. Por otro lado, el código no es ambiguo ya que cada codón especifica a uno y sólo a un aminoácido. Por ejemplo, CUU solamente codifica para el aminoácido leucina y no a otro aminoácido. El cuadro del código que presentamos a continuación vale para toda la diversidad de seres vivos, por lo tanto el código es universal. Una excepción a esta universalidad del código se da con el ADN mitocondrial. Entonces, las características del código son:

-Es universal, pues está presente en casi todos los seres vivos conocidos. Solo existen algunas excepciones en ciertas bacterias. -No es ambiguo, pues cada triplete especifica sólo un aminoácido. -Hay varios tripletes para un mismo aminoácido, por ello se lo llama “degenerado”. Esta situación implica la existencia de tripletes sinónimos.


El Código Genético

La síntesis de proteínas o traducción La información que contiene el ADN se transcribe a los diferentes tipos de ARN. Los ARN así sintetizados en el núcleo celular (en células eucariontes) son modificados antes de salir hacia el citoplasma, lugar donde se sintetizan las proteínas. La traducción es el proceso por el cual la información que contiene el ARN mensajero se utiliza para la síntesis de una proteína. Esta información determina el orden en que se unirán los aminoácidos, es decir, la estructura primaria de la proteína. Antes de comenzar a desarrollar las etapas de la traducción repasemos la función de cada uno de los ARNs que fueron transcriptos:

1. ARNm: contiene en su secuencia de nucleótidos la información que determina la secuencia de aminoácidos en una proteína. Los ARNm son específicos para la proteína que va a ser sintetizada y derivan directamente de la información de una secuencia definida de ADN denominada gen. Cada gen contiene información para la síntesis de una determinada proteína

2. ARNr: los diferentes ARN ribosomales se unen a proteínas específicas para formar los ribosomas. Los ribosomas constituyen el lugar físico de la síntesis proteica.

3. ARNt: transporta aminoácidos de manera específica. Existen 31 tipos diferentes de ARNt, que actúan como moléculas intermediarias entre los codones del ARNm y los aminoácidos. Los ARNt poseen un anticodón (combinación de tres nucleótidos) que es complementario a un codón del ARNm.


En la síntesis proteica la secuencia de nucleótidos del ARNm es leída en orden consecutivo, en grupos de tres nucleótidos. Cada triplete de nucleótidos, que denominamos codón, especifica un aminoácido. Cada secuencia de ARNm debe ser leída siguiendo una pauta o marco de lectura que se mantendrá hasta el final de la traducción. Por lo tanto debe haber un punto de inicio de dicha lectura así como un punto de terminación. El punto de inicio está dado por el codón AUG o codón inicio (que codifica para metionina). En el resto de la cadena del ARNm puede haber otros codones AUG que serán decodificados como metionina, pero el primero que aparece y solo ese será el que marque el inicio para la lectura de la traducción. Como se mencionó anteriormente, el punto de terminación de la traducción está dado por alguno de los tres codones stop: UAG, UGA o UAA.

Veamos un ejemplo concreto: Inicio o 1 codón 3 codón 5 Stop

ARNm 5´C C C A A U G C G G A U U A U G G G U U A C U G A A A A C U C 3´

codón 2 codón 4 codón 6

Secuencia de MET - ARG - ILE - MET - GLY - TYR

aminoácidos correspondiente

El proceso de síntesis proteica es muy similar, en lineas generales, en procariontes y eucariontes, si bien es un poco más compleja en éstos últimos. A continuación describiremos el proceso de biosíntesis de proteínas y luego veremos las diferencias que hay en dicho proceso en eucariontes y procariontes.

La síntesis de proteínas incluye básicamente dos etapas: la aminoacilación o activación de los aminoácidos y la traducción propiamente dicha.

1-Aminoacilación o activación de los aminoácidos El aminoácido se une a su correspondiente ARNt por la acción de la enzima aminoacil-ARNt sintetasa en dos pasos consecutivos. En una primera reacción un aminoácido se carga de energía del ATP, formando un complejo con el AMP, aminoacil AMP. El nombre de este complejo está dado por el aminoácido, así el leucinil –AMP contiene leucina; el fenilalanil - AMP contiene fenilalanina y el metionil-AMP tiene metionina. Dado que el AMP deriva de la hidrólisis de un ATP, se libera pirofosfato (PP) y energía utilizada para unir el aminoácido al AMP. Aminoácido + ATP Aminoacil-AMP + PP


En un segundo paso esa energía almacenada en la unión entre el aminoácido y el AMP es utilizada para adicionar el aminoácido al ARNt correspondiente. Esta reacción es catalizada por la misma enzima aminoacil ARNt sintetasa que rompe la unión entre el aminoácido y el AMP y une a ese aminoácido al ARNt formando así una molécula esencial para la síntesis proteica: el aminoacil-ARNtAA (es decir, un ARNt cargado con el aminoácido correspondiente) que reconocerá luego el codón complementario en el ARNm.

Aminoacil-AMP + ARNt Aminoacil-ARNt + AMP Es importante destacar que la energía del ATP usada en la primera reacción queda entonces contenida en la unión química entre el aminoácido y el ARNt, y será utilizada posteriormente en la síntesis de proteínas. Existen 20 aminoacil-ARNt sintetasas diferentes, cada una de ellas posee una estructura específica que reconoce a un aminoácido y al ARNt correspondiente. Ambos reconocimientos permiten que cada uno de los distintos tipos de ARNt se una sólo a uno de los 20 aminoácidos usados en la síntesis proteica. Ello es posible porque cada aminoacil ARNt sintetasa identifica al ARNt por el anticodón, la parte más específica del ARNt. No obstante, en los ARNt existen otras señales que son reconocidas por la enzima, generalmente tramos de nucleótidos cercanos al anticodón.

Diagrama esquemático que muestra como una aminoacil ARNt sintetasa específica cataliza la unión

del aminoácido triptofano al ARNt correspondiente.

2- La traducción Una vez que los ARNt están “cargados” con el aminoácido correspondiente puede iniciarse el proceso de traducción. Este proceso de la se divide en tres etapas: la iniciación, la elongación y la finalización, que describiremos a continuación.


- Iniciación En esta etapa se reunirán los componentes de lo que se conoce como complejo de iniciación. Este complejo empieza a formarse cuando la subunidad menor del ribosoma reconoce el capuchón y se une al ARNm en la zona próxima al codón de iniciación. Simultáneamente se acopla el ARNt iniciador (porta el aminoácido metionina), con gasto de GTP (este ARNt será el que reconozca luego al codón inicio del ARNm). La subunidad menor del ribosoma se deslizará sobre el ARNm hasta localizar el codón inicio AUG (que se complementará con el anticodón del ARNt iniciador cuya secuencia es UAC). Queda así establecido el marco de lectura. Finalmente se acopla la subunidad mayor del ribosoma, ensamblándose de esta forma el ribosoma completo y funcional. El ARNt iniciador queda ubicado en el sitio P del ribosoma.

La etapa de iniciación se caracteriza entonces por la unión del ARNm a la subunidad menor del ribosoma, el reconocimiento del codón inicio por complementariedad entre dicho codón y el anticodón del ARNt iniciador, acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma.

- Elongación Un ARNt cargado con el aminoácido correspondiente ingresa al sitio A del ribosoma, que está libre, y se acoplará por complementariedad de bases al segundo codón del ARNm. El aminoácido que estaba unido al ARNt iniciador rompe su unión con dicho ARNt con lo cual se libera energía. Esa energía es utilizada para que ese aminoácido se una al aminoácido que lleva el ARNt ubicado en el sitio A. Se forma la primera unión peptídica, reacción catalizada por la enzima peptidil transferasa que se encuentra en la subunidad mayor del ribosoma. Como consecuencia de todo esto, en el sitio P el ARNt queda sin aminoácido y en el sitio A está un ARNt que lleva los dos aminoácidos unidos. El ARNt “descargado” sale del sitio P e irá a activarse nuevamente, quedando así el sitio P vacío. Ahora el ribosoma se desplaza una distancia de tres nucleótidos, o sea un codón, hacia el extremo 3´del ARNm. Como resultado, lo que antes estaba en el sitio A ahora pasa al sitio P y lo que estaba en el sitio P sale del ribosoma. Este proceso se denomina translocación y requiere el consumo de una molécula de ATP. Luego de la translocación, el sitio P vuelve

Secuencia de sucesos que ocurren en la Iniciación de la traducción.


a estar ocupado (ahora por un ARNt con la cadena de aminoácidos en crecimiento) y el sitio A a estar libre.. A continuación, un tercer aminoacil-ARNt ingresa en el ribosoma con consumo de GTP , se ubica en el sitio A, y su anticodón se une al tercer codón de ARNm. El paso siguiente comprende la formación de una unión peptídica entre el dipéptido ubicado en el ARNt del sitio P y el aminoácido del tercer aminoacil –ARN ubicado en el sitio A. Esta unión peptídica genera un tripeptidil –ARNt, que permanece en el sitio A hasta la próxima traslocación del ARNm. Este proceso se repite sucesivamente codón tras codón.

La etapa de elongación se caracteriza por la unión de los distintos aminoacil-ARNt reconocidos por los codones complementarios correspondientes, la formación de enlaces peptídicos, la translocación del ribosoma.

Secuencia de sucesos que ocurren en la Elongación de la traducción.


- Terminación

Se produce cuando aparece uno de los codones de terminación (UAA,UAG,UGA ) en el sitio A del ribosoma. En este momento un factor proteico de terminación se une al codón de terminación e impide que algún ARNt con otro aminoácido se ubique en el sitio A. En este momento se produce la hidrólisis de la cadena peptídico del ARNt ubicado en el sitio P, el ARNm que ya fue leído completamente queda liberado y finalmente se separan las dos subunidades del ribosoma. Todos estos elementos ( los ARNt, subunidades ribosomales y ARNm) pueden ser reutilizados en una nueva traducción.

La terminación se caracteriza por: el reconocimiento de un codón stop, la disociación de la cadena polipeptídica, del ARNm y de las subunidades ribosomales.

Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando la síntesis de otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente y produce varias copias de la misma proteína. A estas estructuras donde un mismo ARNm está siendo traducido por varios ribosomas en forma simultánea se las llama polirribosomas o polisomas. En esta estructura, cada ribosoma ejecuta la síntesis proteica de manera independiente, generando cada uno un polipéptido completo. A continuación se presenta un esquema de un polisoma.

proteína

ARNm subunidades ribosomales

Secuencia de sucesos que ocurren en la Terminación de la traducción.


Diferencias entre la traducción en eucariontes y procariontes.

En eucariontes la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma, es decir que son procesos que están separados en tiempo y espacio. Además hay que recordar que en este tipo de células, antes que el ARNm se transporte desde el núcleo al citoplasma debe sufrir una serie de procesamientos. La traducción en eucariontes es entonces post-transcripcional (el ARNm se transcribe, procesa, se transporta al citoplasma y allí se traduce). En procariontes la transcripción y la traducción ocurren en el citoplasma y no hay ningún tipo de procesamiento del ARNm, es decir que en este caso la traducción es co-transcripcional es decir simultánea con la transcripción (mientras se está finalizando la transcripción del extremo 3´del ARNm, el extremo 5´ ya se asocia a un ribosoma y comienza a traducirse). En la siguiente figura se resumen y comparan todos los pasos en el flujo de la información genética desde el ADN hasta la síntesis final de la proteína en una célula eucarionte así como en una célula procarionte:


Regulación de la expresión genética: la eficiencia metabólica en las células La célula es capaz de realizar una gran variedad de procesos metabólicos muy complejos, todos ellos catalizados enzimáticamente. ¿Cómo son regulados y controlados esos procesos? Evidentemente, esta pregunta nos conduce a una segunda cuestión: ¿Cómo hace una célula u organismo vivo para sintetizar las proteínas que necesita en función de sus necesidades o de las variables condiciones del medio que la rodea? Por lo general, las células no gastan energía en la síntesis o la degradación de materiales si no es necesario lo que requiere de mecanismos de regulación y control de la expresión genética. Dichos mecanismos son diferentes en procariontes y eucariontes, lo que analizaremos a continuación.

1- Regulación de la expresión genética en procariontes

La regulación genética de la síntesis de enzimas es un claro ejemplo de regulación de la expresión genética: la célula solo sintetizará enzimas que catalicen la degradación de una sustancia, si la sustancia “está” presente; de lo contrario, la síntesis de enzimas permanecerá anulada. Para tratar de explicar esta forma de control, los científicos franceses F.Jacob, J.Monod, y A.Lwoff, en 1965, propusieron un mecanismo de regulación de la síntesis proteica para células procariontes. Este consiste en la operación de ciertos genes. Concretamente, la síntesis de enzimas está dirigida y regulada por algunos genes ubicados en un segmento del ADN llamado Operón.


Un operón consiste en un conjunto de genes que codifican para la síntesis de proteínas (enzimas) que participan en una misma vía metabólica. Se lo ha estudiado en procariontes. El operón típico consta de genes estructurales, operador, promotor y un gen regulador.

Genes Estructurales: Son genes que codifican para las enzimas que catalizan una vía metabólica. Los genes estructurales se sitúan próximos entre sí de manera que se transcriben todos juntos como un ARNm policistrónico.

Gen Regulador: Produce una proteína (llamada “represora”) que regula la trascripción de genes estructurales de acuerdo a las diferentes condiciones del medio. Puede unirse a una zona específica del operón que es el operador. Este gen regulador puede activarse o expresarse sintetizándose así la proteína represora o bien no expresarse o desactivarse con lo cual no hay proteína represora. Si el represor está unido al operador no habrá transcripción de los genes estructurales, pero si no se une al operador se permitirá la trascripción de los genes estructurales.

Operador: Es una secuencia de nucleótidos en el ADN, ubicada entre el promotor y los genes estructurales. Como mencionamos anteriormente, si el operador es bloqueado por la proteína represora se impide la trascripción de los genes estructurales.

Promotor: es una secuencia de nucleótidos en el ADN que es reconocida por la ARN polimerasa al inicio de la trascripción. Uno de los ejemplos más conocidos de operón es el operón lactosa. Este operón regula la utilización de la lactosa como fuente de energía para las bacterias. Los genes estructurales del operón lactosa tienen información para la síntesis de tres enzimas: la permeasa, la beta galactosidasa y la transacetilasa. Las tres participan en la vía metabólica de degradación de la lactosa. Para poder realizar la transcripción de los genes estructurales, el operador debe estar libre, es decir, sin represor. En este mecanismo de regulación, las enzimas que metabolizan la lactosa sólo se producen en presencia de ésta.

Gen Regulador

Promotor

Operador

Genes Estructurales

Dirección de la Trascripción

1

2

3

ARNpolimerasa

Representación esquemática de un Operón

Cromosoma bacteriano


Analicemos entonces que ocurre con la regulación de la expresión de los genes estructurales de este operón en dos situaciones: un medio sin lactosa, un medio con lactosa presente como única fuente de energía.

-Sin lactosa

En ausencia de lactosa, el represor está activo, es decir que se une al operador e impide así que la ARN polimerasa se una al promotor. Como consecuencia no se produce la transcripción de los genes estructurales, es decir que no habrá finalmente síntesis de las enzimas que degradan lactosa (recordemos que estamos en un medio sin lactosa presente). El represor en este caso está ejerciendo un control negativo ya que su interacción con el ADN inhibe la expresión de los genes estructurales del operón.

-Con lactosa

En este caso, la lactosa se une al represor y produce en éste un cambio conformacional que lo inactiva, de manera tal que ya no puede unirse al operador. En estas condiciones la ARN polimerasa puede unirse al promotor transcribiéndose entonces los genes


estructurales. Es decir que finalmente se sintetizarán las enzimas que permiten degradar a la lactosa (recordemos que en este caso estamos en un medio que tiene lactosa presente). Como la lactosa al unirse al represor lo inactiva y se pone así en marcha al operón, decimos que la lactosa actúa como un inductor.

El operón lactosa también tiene otro control que aumenta la eficiencia en la utilización de la lactosa. Involucra a una proteína llamada CAP o Proteína fijadora de AMPc. Esta proteína cumple la función de inhibir el uso de lactosa como fuente de energía, incluso en presencia de lactosa, cuando hay disponible alguna fuente de energía más eficiente como la glucosa. Cuando la cantidad de glucosa en la célula disminuye el nivel de AMPc aumenta. Cuando aumenta el AMPc, forma un complejo con la CAP y entonces (y solo en esta circunstancia) la CAP se une a una zona del promotor. La ARN polimerasa solamente podrá unirse al promotor del operón lactosa si ya se ha unido allí el complejo CAP-AMPc. El control que ejerce el complejo CAP-AMPc es un control positivo ya que estimula la transcripción de los genes del operón. Por lo tanto, deben darse dos condiciones para que el operón lactosa se exprese: tiene que haber lactosa y no tiene que haber ninguna otra fuente de energía que se pueda emplear con mayor eficiencia que la lactosa, o sea no debe haber glucosa.

2- Regulación de la expresión genética en eucariontes

Es un hecho conocido que prácticamente todas las células de un organismo pluricelular eucarionte (como nosotros) poseen la misma información genética (una excepción son las gametas o células sexuales, es decir, óvulos o espermatozoides). Esto significa que todas las células tienen la potencialidad de sintetizar las mismas proteínas y cumplir las mismas funciones. Como sabemos, esto no ocurre así. Existen diferentes mecanismos a través de los cuales cada tipo celular es capaz de bloquear determinados sectores de la información de su ADN. A continuación, analizaremos algunos de ellos:

-Condensación del ADN en heterocromatina: Como se indicó anteriormente, la cromatina se presenta en dos estados, uno más laxo llamado eucromatina y otro más condensado, llamado heterocromatina. Sólo se transcriben (y posteriormente se traducen) los sectores del ADN más desplegados, es decir, los que corresponden a la conformación de eucromatina. Por otra parte, los sectores de heterocromatina varían de un tipo celular a otro, determinando qué regiones del ADN serán transcriptas y qué regiones quedan ocultas.

-Secuencias y proteínas que controlan la transcripción: Existen secuencias de nucleótidos en el ADN que pueden controlar (aumentando o disminuyendo) la tasa de transcripción de un determinado gen. Estas secuencias, intensificadoras o silenciadoras, según aumenten o disminuyan la transcripción de ese gen, actúan junto con proteínas que intereactúan con el sitio promotor del gen. Por lo tanto, la transcripción de un gen depende de la actividad conjunta de secuencias específicas y proteínas reguladoras.

-Agregado de grupos químicos (metilación): Los grupos metilo (CH3), agregados a nucleótidos de citosina en determinadas regiones del ADN controlan la transcripción de los genes que los poseen. Cuanto más grupos metilo posea un gen, menor será su posibilidad de expresión.


Existen otros tipos de controles que involucran complejos mecanismos moleculares. Algunos de ellos determinan la durabilidad del ARNm, el transporte del ARNm desde el núcleo al citoplasma y diversos controles en la traducción.

Sea cual fuere el mecanismo de control de la expresión genética, todos tienen en común la misma acción: seleccionar qué porciones del ADN se expresarán en cada tipo de célula. Así, una célula epitelial solo expresará la información concerniente a su propio funcionamiento, y no sintetizará proteínas específicas de células neuronales, sanguíneas, óseas, etc. Es decir que, si todas las células de un mismo individuo tienen la misma información genética, hay una expresión diferencial de los genes en los distintos tipos celulares.

MUTACIONES Las mutaciones son cambios o variaciones, producidas al azar, en la secuencia de nucleótidos del ADN o bien en la cantidad de material genético que posee un individuo. Estas pueden aparecer por errores en la duplicación o transcripción, como así también pueden ser producidas por agentes mutágenos. Algunas mutaciones son heredables, es decir, pueden ser transmitidas a la descendencia. Para que esto suceda, las mutaciones deben estar presentes en las células germinales (reproductoras). Si se produce una mutación en una célula somática sólo afectará al individuo y no pasan a su progenie. Los agentes mutágenos pueden ser físicos o químicos. Entre los mutágenos químicos más conocidos se pueden mencionar: -Acido nitroso: provoca la desaminación (eliminación del grupo amino) de la Citosina y la Adenina -Gas mostaza y etilmetanosulfonato (EMS): introducen grupos alquilo en las bases del ADN alterando la replicación. -Benzopireno y otros hidrocarburos cíclicos: se intercalan entre los pares de bases y establecen enlaces covalentes entre las dos hebras del ADN. Entre los agentes físicos que producen mutaciones se encuentran las radiaciones ionizantes de onda corta (rayos ultravioleta y rayos X) y las emisiones radiactivas de partículas. Estas radiaciones producen cambios en los nucleótidos y roturas en la cadena de ADN, lo que puede dar lugar a fracturas en los cromosomas y produce la muerte de las células. La luz ultravioleta absorbida por los ácidos nucleicos puede producir tanto modificaciones en las bases nitrogenadas que forman parte de los nucleótidos del ADN como la unión de dos pirimidinas contiguas en la misma cadena. Esta última situación da lugar a la formación de dímeros de pirimidina, que distorsionan la doble hélice dificultando o impidiendo la correcta replicación del ADN.

Existen varios tipos de mutaciones en función de los cambios que sufre el material genético. Podemos diferenciar tres tipos de mutaciones: génicas, cromosómicas y genómicas.


Mutaciones génicas

En estas mutaciones se produce un cambio en la estructura del ADN, es decir, un cambio en la información genética. Estas mutaciones aparecen cuando se produce un error en la replicación del ADN. Por ejemplo, en la siguiente figura aparece un error en la duplicación del ADN que cambia un nucleótido de Adenina por uno de Guanina.

Hay distintos tipos de mutaciones génicas y cada una puede traer ciertas consecuencias: En los errores que se producen en la duplicación del ADN puede producirse el cambio de un nucleótido por otro (como en la figura). En este caso, llamado mutaciones puntuales, las consecuencias pueden ser variadas: - Si el nucleótido, una vez transcripto el ADN, pertenece a la tercera base de un codón, es posible que el codón “mutado” sea sinónimo del codón normal. En este caso, la mutación se llama silenciosa pues no tiene consecuencias en la traducción (se traduce en el mismo aminoácido que el codón normal). Por ejemplo:

A T G T C T T G T T G A ADN A T G T C T T G T T G A ADN normal mutado T A C A G A A CA A C T T A C A G A A C G A C T

A U G U C U U G U U G A ARNm A U G U C U U G C U G A ARNm

MET - SER - CIS Polipéptido MET - SER - CIS Polipéptido

- Si el nucleótido, al ser transcripto, cambia el su información (no es un codón sinónimo) y se traduce en un aminoácido diferente del normal tendrá diferentes consecuencias de acuerdo a la posición del aminoácido en la proteína final. Por ejemplo, si este aminoácido desempeñaba un rol esencial en el plegamiento de la proteína o pertenecía al sitio activo o de regulación de una enzima, la proteína no tendrá actividad biológica.

A T C T T G C A C A

T A G A G C G T G T


A T G T C T T G T T G A ADN A T G T C T T G T T G A ADN normal mutado T A C A G A A C A A C T T A C A G A A C C A C T

A U G U C U U G U U G A ARNm A U G U C U U G G U G A ARNm

MET - SER - CIS Polipéptido MET - SER - TRIP Polipéptido

- Si el nucleótido, al ser transcripto, cambia un codón intermedio del ARNm en un codón de terminación, la traducción producirá una proteína más corta y no funcional.

A T G T C T T G T T G A ADN A T G T C T T G T T G A ADN normal mutado T A C A G A A C A A C T T A C A G A A C T A C T

A U G U C U U G U U G A ARNm A U G U C U U G A UG A ARNm

MET - SER - CIS Polipéptido MET - SER Polipéptido

- Si se elimina un nucleótido, la mutación se denomina deleción y produce un cambio en el marco de lectura. Esto significa que todos los codones a partir de la mutación cambiarán, por lo tanto la traducción de este mensajero producirá una proteína no funcional.

A T G T C T T G T T G A ADN A T G T C T T G T T G A ADN normal mutado T A C A G A A C A A C T T A C A G _ A C G A C T

A U G U C U U G U U G A ARNm A U G U C U G C U G A ARNm

MET - SER - CIS Polipéptido MET - SER - ALA Polipéptido


- Si se agrega un nucleótido, la mutación se denomina adición o inserción y trae como consecuencia también un cambio en el marco de lectura. Por lo tanto, las consecuencias son similares en las mutaciones por inserción o por deleción.

A T G T C T T G T T G A ADN A T G T C T T G T T G A ADN normal mutado T A C A G A A C A A C T T A C A G A A A C G A C T A U G U C U U G U U G A ARNm A U G U C U U U G C U G A ARNm MET - SER - CIS Polipéptido MET - SER - LEU - LEU Polipéptido

Mutaciones cromosómicas

Estas mutaciones se dan en porciones o partes de los cromosomas, es decir a largas secuencias de nucleótidos. En general pueden producirse por errores en uno de los eventos clave de la meiosis (la división en las células que dan origen a gametas o células para la reproducción sexual) como es el crossing-over ( se tratará en el instructivo 10).

Mutaciones genómicas

Estas mutaciones se caracterizan porque involucran a cromosomas completos. Un ejemplo es en el Síndrome de Down donde hay un cromosoma “de más”. Otro caso conocido es el del Síndrome de Turner en el que falta uno de los cromosomas sexuales.

Algunas mutaciones producen enfermedades o alteraciones metabólicas que desencadenan enfermedades. Pero en ocasiones las mutaciones pueden provocar cambios favorables. En estos casos, esenciales para la evolución de las especies, los individuos portadores de la mutación poseen ventajas adaptativas respecto a sus congéneres. De este modo, el gen mutado podría, selección natural mediante, sustituir al gen original en una población dada.


1. Indique en qué fase del Ciclo Celular tienen lugar los siguientes procesos: a. Síntesis de ciclinas G1 b. Aumento del número de organelas c. Transcripción d. Formación del FPM e. Duplicación del ADN

2. Si varios ribosomas leen una misma hebra de ARN mensajero ¿considera que todas las proteínas sintetizadas serán iguales o distintas? 3. Dada la siguiente hebra molde de ADN:

3’ TACGGACCGTTACCCGGCACT 5’

a. Escriba la secuencia de la molécula de ARN mensajero que se obtendrá por transcripción.

b. Escriba la cadena polipeptídica que se obtendrá a partir de esa molécula de ARN.

4. Si se extrae un ARN mensajero que codifica para una proteína humana y se lo introduce en una célula bacteriana, la bacteria ¿sintetizará la proteína humana? 5. Si se quiere sintetizar un polipéptido que contiene 60 aminoácidos ¿cuántos ribonucleótidos tendrá el ARN mensajero? (incluya el codón de iniciación y terminación y no considere el splicing). 6. ¿Por qué el ARNm que encontramos en el citoplasma es de menor tamaño que el recién transcripto? ¿En que tipo de células ocurre este fenómeno?. 7. a. Discuta si todos los ARN de transferencia de todas las células de un individuo tendrán los mismos anticodones. b. ¿Y respecto de otros seres vivos? 8. Dada la siguiente hebra de ARN mensajero:

AAAUCGACGGGAAAAGGGCGCGCCGCGGCU a. Escribir la cadena polipeptídica resultante tras el proceso de traducción: b. ¿Cómo será la cadena si el sexto nucleótido (G) se sustituyera por una A? c. ¿Cómo será la cadena si hubiera una deleción de la cuarta base?

PROBLEMAS DE APLICACIÓN


1. El ARN se sintetiza uniendo: a. desoxirribonucleótidos monofosfatados. b. desoxirribonucleótidos trifosfatados c. ribonucleótidos trifosfatados d. ribonucleótidos monofosfatados 2. Señale la opción correcta sobre la traducción: a. comienza en el codón AUG (metionina) b. comienza en cualquier codón indistintamente c. todas las proteínas maduras de una célula comienzan con metionina d. existe un aminoácido específico para el codón de terminación 3. El anticodón del ARN de transferencia se une a: a. el aminoácido b. el aminoácido y el codón del ARN mensajero c. el ARN ribosomal d. el ARN mensajero 4. Los ARNm eucariontes a. Son policistrónicos y presentan CAP b. son policistrónicos c. son monocistrónicos d. Son policistrónicos y presentan CAP y cola poli A 5. Los intrones son: a. secuencias de proteínas b. secuencias de ARN que se eliminan c. secuencias de ARN que se eliminan y se traducen d. secuencias de ARN que se traducen 6. El código genético es degenerado porque: a. varios codones pueden codificar para el mismo aminoacido b. varios aminoácidos pueden corresponder a un solo codón c. hay tres codones stop d. hay tres codones stop, y no es ambiguo

7. El FPM: a. promueve la transición de la fase G1 a la fase de duplicación del ADN. b. no tiene ciclinas c. tiene ciclinas C1 y G2 d. promueve el pasaje de S a la división 8. El promotor es una secuencia de: a. ribonucleótidos que siempre se

transcribe. b. desoxirribonucleótidos, donde se une

la ADN polimerasa c. desoxirribonucleótidos que intervienen

en el procesamiento del ARN. d. desoxirribonucleótidos donde se une la ARN polimerasa 9. En el proceso de traducción en procariontes: a. una molécula de ARN mensajero

puede llevar información para mas de una cadena proteica

b. una molécula de ARN mensajero siempre lleva información para una sola cadena proteica

c. los ribosomas traducen al ARN mensajero luego de su procesamiento

d. los ribosomas llevan el anticodón para unir el aminoácido al ARN mensajero

10. Una mutación a. puede ser una alteración en el ADN b. es una alteración en el ARN por errores en la transcripción únicamente. c. siempre origina proteínas defectuosas d. siempre modifica la proteína final

AUTOEVALUACIÓN

2016 Unidad 08 Biosint - WordPress.com...Las estructuras membranosas como la envoltura nuclear,...

Documents

Transcript of 2016 Unidad 08 Biosint - WordPress.com...Las estructuras membranosas como la envoltura nuclear,...