PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN MEDICINA INTEGRAL COMUNITARIA

PLAN DE CLASE

ASIGNATURA: Morfofisiología Humana IAÑO: PrimeroSEMANA: 7FOE: Actividad Orientadora 9MÉTODO: Expositivo IlustrativoMEDIOS: Pizarra, Videoclase.TIEMPO: 100’TEMA: 1. Célula.TÍTULO: Genética molecular IISUMARIO:1.6.3. Genética molecular II. Transcripción del ADN. Significación biológica. Cambios postranscripcionales del ARN. Traducción genética. Código genético y síntesis de proteína. Principios generales de la regulación de la expresión de la información genética, papel de los genes y de sus interacciones con el ambiente (pre y postnatal). Enfermedades moleculares. Concepto y tipos. Cáncer. Mecanismo molecular de la transformación cancerosa. Características de las células cancerosas. Ingeniería genética. Aspectos conceptuales.OBJETIVOS: (La redacción de los mismos debe ser teniendo en cuenta todas sus partes; habilidad, contenido, nivel de asimilación, nivel de profundidad y condiciones de estudio).Pretendemos que durante el transcurso de la clase y al concluir la misma, los estudiantes sean capaces de:

• Reconocer los aspectos moleculares de los procesos de transcripción del ADN, haciendo énfasis en su significación biológica, auxiliándose de la bibliografía básica y complementaria, en función de la formación del médico integral comunitario.

• Describir el proceso de traducción, teniendo en cuenta los mecanismos moleculares que participan, haciendo énfasis en su significación biológica como expresión de la información genética, auxiliándose de la bibliografía básica y complementaria en función de la formación del médico integral comunitario.

• Reconocer la importancia de la ingeniería genética para la biología y la medicina a partir de los procedimientos básicos implicados, auxiliándose de la bibliografía básica y complementaria en función de la formación del médico integral comunitario.

• Describir el origen de las enfermedades moleculares y el cáncer a partir de las alteraciones que se producen en el material genético por acción de agentes externos e internos, haciendo énfasis en el mecanismo molecular de la transformación cancerosa y las características de las células afectadas, vinculándolos con la práctica médica, auxiliándose de la bibliografía básica y complementaria en función de la formación del médico integral comunitario.

INTRODUCCIÓN

Pase de lista

Se hará trabajo educativo hablando acerca de algún acontecimiento social, científico, político, cultural de actualidad o de alguna de las nacionalidades.

Rememoración de los contenidos de la clase anterior.

En la actividad anterior orientamos el estudio de las características del núcleo, como rector del funcionamiento celular, así como los procesos de conservación y transmisión de la información genética.La expresión de esta información será el objeto de estudio de la actividad orientadora de hoy.

Preguntas de control

DESARROLLOMotivación. Puede utilizar al cáncer como una de la tercera causa de muerte teniendo en cuenta que en su génesis juegan un papel importante las alteraciones en el DNA, o pudiera enfatizar con las enfermedades moleculares como es el caso de la Sicklemia. Se presenta el tema y contenidos de la clase los cuales deben estar expuestos en

la pizarra con letra clara y sin abreviaturas. Se enuncian los objetivos de la clase. Se presenta la videorientadora teniendo en cuenta su duración y los contenidos

que abordará.

La videorientadora que van a ver tiene 49 diapositivas y una duración de…Se inicia la proyección del video hasta la diapositiva 29, donde se realiza la primera parada.La replicación del ADN es el fundamento molecular de la transferencia de información de una célula u organismo a sus descendientes. Se asegura que en el ADN radica la información que determina las características estructurales y funcionales de las células que lo contienen.La transcripción es el proceso central en el crecimiento y desarrollo de las células,en la cual los genes que se encuentran en el ADN de los cromosomas son selectivamente localizados, reconocidos y transcritos, produciendo ARN mensajeros, ribosomales (estructurales) y de transferencia (adaptadores

En la molécula de ADN radica la información que determina las características estructurales y funcionales de las células que lo contienen, en la misma existen mecanismos que permiten que se exprese esa información genética, lo que ocurre en dos etapas fundamentales:

o En la primera, la secuencia de bases del ADN se copia en una molécula específica de ARN mensajero, esta etapa es la transcripción.

o La segunda consiste en utilizar la secuencia de bases del ARN mensajero, para a partir de ella sintetizar la proteína, esta etapa es la traducción.

TRANSCRIPCIÓNLa transcripción es el proceso de síntesis de los ARN a partir de una molécula de ADN que le sirve de molde o patrón.Para que ocurra la transcripción es necesaria la participación de:

• Los cuatro ribonucleósidos trifosfatados.(GTP; ATP; CTP y UTP)• Iones divalentes, sobre todo magnesio.• Proteínas que intervienen en diferentes etapas del proceso, como la Nus A y

rho.• La ARN polimerasa, que cataliza la unión de los nucleótidos en la cadena de

ARN.• DNA molde o patrón

Este proceso, al igual que la replicación consta de 5 etapas que son:• Preiniciación, que consiste en que la ARN polimerasa localiza un sitio

específico del ADN denominado promotor y se separan las dos cadenas, de forma que la secuencia de bases sea accesible a la acción de la enzima.

• Iniciación, en que se colocan los primeros nucleótidos.• Elongación, consiste en el alargamiento de la cadena. • Terminación, donde cesa el alargamiento de la cadena de ARN y se separan

del ADN la ARN polimerasa y el ARN sintetizado y• Posterminación, en la que ocurre la modificación del transcripto primario hasta

que sea funcional.En la transcripción la ARN polimerasa provoca un desenrollamiento local del ADN, lee la secuencia de bases de la hebra del ADN que le sirve de molde en el sentido 3´ - 5´ y realiza la síntesis de una cadena de ARN complementaria en el sentido 5´- 3´.A medida que avanza la polimerasa las dos cadenas del ADN se enrollan de nuevo.Cuando la enzima alcanza la señal de terminación en la cadena de ADN molde, se separa del ADN y del ARN sintetizado.Este proceso tiene varias características generales que son:

• Los ribonucleótidos son añadidos uno a uno al extremo de una hebra en crecimiento por enzimas denominadas ARN polimerasas dependientes de ADN o ARN polimerasas.

• La secuencia de bases del ARN es complementaria a la hebra de ADN que se está copiando.

• La hebra de ARN crece en sentido 5’ 3’, mientras que va copiando la hebra de ADN que está en dirección 3´5’ carácter antiparalela.

• No tiene necesidad de un iniciador o cebador las RNA polimerasa inician elonga y rectifican. Las ARN polimerasas son capaces por sí mismas de iniciar la síntesis

• Está acoplada a la hidrólisis del pirofosfato. • La reacción básica es la de polimerización. Que consiste en la adición de un

ribonucleósido trifosfatado al extremo 3' 0H del nucleótido precedente, con liberación de pirofosfato

• Su síntesis es complementaría la hebra de ADN, que se está copiando.• La hebra de ARN crece en el sentido 5 ' 3 ‘, mientras que la lectura de la hebra

del ADN ocurre en dirección 3' 5' luego la síntesis es antiparalela y unidireccional.

• El proceso de polimerización en la replicación ocurre acoplada a la hidrólisis del pirofosfato.

• Las bases son añadidas una a una de forma gradual, unidireccional y antiparalela.

Debes orientar el estudio de los eventos que se verifican en el proceso de transcripción y los eventos post trancripcionales Existe dos tipos de inhibidores: los que impiden la separación de las cadenas del ADN, que son también inhibidores de la replicación, y los que actúan de forma directa sobre las RNA polimerasas En este grupo se encuentra rifampicina, que actúa sobre la ARN polimerasa, impidiendo la fase de iniciación. Y la alfa amanitina cáliz de la muerte presente en las setas parecida a los champiñones los inhibe la síntesis de ARN en eucariontes por actuar sobre la ARNPolimerasa IIAntes de comenzar el estudio de la secuencia de eventos de la traducción, es necesario puntualizar algunas características del ARN ribosomal y del ARN de transferencia por su participación en este proceso.ESTRUCTURA DEL RIBOSOMAEl ribosoma tiene una subunidad mayor en la parte superior y la menor en la inferior.En la subunidad mayor se representan dos estructuras;

• El sitio o locus peptidilo, donde solo pueden unirse el ARN de transferencia de la metionina o un ARN de transferencia con una cadena polipeptídica unida y

• El sitio o locus aminoacilo, donde solo puede unirse el ARN de transferencia que transporta el aminoácido correspondiente a la secuencia establecida por el ARN mensajero en el proceso de síntesis de proteínas.

La forma tridimensional del ARN de transferencia es una L invertida. Observen en la imagen que tiene un aminoácido unido en el extremo superior derecho de la molécula, correspondiente al extremo del brazo aminoacídico, mientras que en el otro extremo se encuentra el anticodón, que consiste en tres bases nitrogenadas cuya función es la de unirse a otras tres bases del ARN mensajero, que constituyen el codón.En la década del 60 del siglo pasado, se comprobó que tres bases nitrogenadas consecutivas del ARN mensajero codificaban un aminoácido, esta relación de equivalencia constituye el código genético.

Código genéticoEl código genético se define como la relación de equivalencia entre la secuencia de bases del ARN mensajero y la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada, donde tres bases nitrogenadas consecutivas del ARN mensajero codifican un aminoácido.En la estructura de las proteínas se encuentran 20 aminoácidos diferentes, mientras que solo hay 4 bases nitrogenadas en el ADN. La importancia del código genético, radica en establecer la relación de correspondencia entre las bases nitrogenadas y el aminoácido codificado.El código genético está formado por 64 agrupaciones de tres bases nitrogenadas del ARN mensajero denominadas tripletes o codones.

Tiene las siguientes características:• El código genético está formado por tripletes de bases denominadas codones.• Cada codón codifica un sólo aminoácido, por lo que el código no es ambiguo

o imperfecto.• Un aminoácido presenta varios codones que lo codifican, por lo que el código

es degenerado o redundante.• Presenta un codón de iniciación que codifica al aminoácido metionina y• Tres tripletes no codifican aminoácidos, por lo que constituyen codones de

terminación.• Carácter cuasi-universal, ya que funciona por igual en casi todos los sistemas

biológicos excepto en levaduras.• No existe solapamiento en el código genético.• La tercera base de codón se caracteriza por ser muy inespecífica y esto

garantiza la interaccion codón del RNAm y el anticodon del RNAt• Existencia de codones sinónimos.

TraducciónLa traducción es el mecanismo mediante el cual el ribosoma coloca los aminoácidos transportados por los ARN de transferencia según el orden establecido por el ARN mensajero, formando los enlaces peptídicos para sintetizar una cadena polipeptídica.En resumen, la traducción es el proceso de síntesis de proteína.La traducción genética constituye la etapa crucial en el mecanismo de expresión de la información genética. En este proceso tiene lugar la síntesis de la proteína específica que ha de cumplir una función determinada en la célula o el organismo, con lo cual la información contenida en los genes quedará totalmente expresada. En la traducción genética se realiza el tránsito del genotipo al fenotipo.Orientaremos la traducción en procariotas, por ser más sencilla y tener características similares a la que ocurre en los organismos eucariotas.Para que ocurra la traducción se requiere de:

• Los ribosomas, donde se forman los enlaces peptídicos de la proteína sintetizada.

• Los ARN de transferencia, cuya función es transportar los aminoácidos que integran la proteína colocándolos en el orden correspondiente.

• Los aminoácidos que forman parte de la secuencia de la proteína que se sintetiza.

• El ARN mensajero que contiene la información para la síntesis de la proteína.• Los factores de iniciación, elongación y terminación, que son proteínas que

participan en las etapas correspondientes y• El ATP y el GTP, que aportan la energía necesaria para el proceso.

Características del proceso de traducción. Ocurre en los ribosomas, aunque la activación de los aminoácidos tiene lugar

en el citoplasma. Es un proceso unidireccional ocurre desde el extremo N terminal hacia el C

terminal.• Es colineal, ya que se produce de forma unidireccional desde el extremo amino

terminal, hacia el carboxilo terminal de la proteína, en el mismo sentido de la lectura del ARN mensajero.

Tiene carácter gradual y repetitivo, pues los aminoácidos van incorporándose uno a uno mediante el mismo mecanismo.

Tiene carácter acoplado, pues la energía necesaria para el proceso proviene de la hidrólisis de nucleósidos trifosfatados (ATP)

Carácter dirigido, pues el orden que los aminoácidos ocupan en la cadena polipeptídica(CP) está determinado por el orden de los codones en el ARNm.

Es un proceso altamente costoso por el consumo de GTP y ATP. Participan el RNAr, RNAt y RNAm. Es un proceso altamente endergónico, pues consume GTP y ATP Factores proteicos y no proteicos como son los factores de iniciación

elongación y terminación.Para su mejor comprensión, el estudio de la traducción ha sido dividido en las siguientes etapas:

• Activación de los aminoácidos, correspondiente a la preiniciación. • Iniciación. • Elongación.• Terminación y• Posterminación.

Pre iniciación Activación de los AminoácidosLa activación de los aminoácidos es el proceso mediante el cual estos se unen enzimáticamente a su ARN de transferencia.Es la etapa de la traducción que garantiza la fidelidad de la expresión genética, pues cada aminoácido debe unirse al ARN de transferencia correspondiente.La enzima que cataliza el proceso es la aminoacil ARNt sintetasa y es muy específica.La unión del aminoácido al ARN de transferencia correspondiente, se realiza en dos etapas:

• En la primera etapa o de activación propiamente dicha, el aminoácido se une al fosfato más interno del ATP, para formar el aminoacil-adenilato, liberándose pirofosfato.

En esta reacción el aminoácido se activa y adquiere parte de la energía necesaria para la formación posterior del enlace peptídico.

• En la segunda etapa o de transferencia, el aminoácido se transfiere al grupo 3 prima hidroxilo del extremo del brazo aminoacídico del ARN de transferencia correspondiente, formándose el aminoacil ARNt, que es la forma activa de los aminoácidos, con liberación de AMP.

INICIACIÓNA continuación se muestra la secuencia de eventos de la etapa de iniciación:

• Observen que las dos subunidades del ribosoma se encuentran separadas.• El ARN mensajero se une a la subunidad menor del ribosoma, • Posteriormente se incorpora el ARN de transferencia con la metionina, que

siempre es el primer aminoácido • Se une el metionilRNAT se une la subunidad mayor del ribosoma.

El ARN de transferencia de la metionina se encuentra en el sitio o locus peptidilo y queda libre el sitio aminoacilo.

ELONGACIÓNEn la siguiente secuencia se muestran los eventos de la etapa de elongación:La entrada en el sitio aminoacilo del aminoacil ARNt correspondiente.Se forma entonces el enlace peptídico entre la metionina y la glicina, catalizada por la enzima peptidil transferasa, que se encuentra en la subunidad mayor del ribosoma.A continuación se libera el ARN de transferencia que ocupaba el sitio peptidilo y el ribosoma avanza tres nucleótidos en la dirección 5 prima 3 prima del ARN mensajero, proceso que se denomina translocación.Esta secuencia se repite tantas veces como el número de aminoácidos de la proteína que se sintetiza.Podemos resumir que la elongación consiste en la incorporación consecutiva de los aminoacil-ARNt determinados por los codones del ARN mensajero.

TERMINACIÓNEn la etapa de terminación, el ribosoma encuentra un codón de terminación que no codifica ningún aminoácido. Con la participación de los factores de terminación, se libera la proteína sintetizada y se separan el último ARN de transferencia y el ARN mensajero.

POSTERMINACIÓNEn la posterminación, las proteínas sintetizadas experimentan modificaciones que las hacen totalmente funcionales como son:

• Separación de varios aminoácidos del extremo aminoterminal, donde generalmente se elimina la metionina.

• Se añaden grupos prostéticos, como el grupo hemo de la hemoglobina.• Formación de puentes disulfuro en muchas proteínas y• Modificación de cadenas laterales de aminoácidos, como la hidroxilación de la

prolina y la lisina en el colágeno.

Se hace resumen parcial y preguntas de comprobación. Continúa la proyección de la videorientadora desde la Diapo 30 hasta la 44.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICAPara la adaptación del organismo a las condiciones cambiantes del medio se dispone de mecanismos de regulación de la síntesis de proteínas, los más utilizados son los transcripcionales, ya que son más económicos para la célula.La regulación transcripcional de la expresión genética en las células procariotas se efectúa mediante mecanismos que se basan en el modelo del operón.El operón es un sector de la molécula de ADN que codifica la síntesis de varias enzimas que actúan en la misma vía metabólica, a través de un ARN mensajero.El operón está formado por:

• Varios sectores de la molécula de ADN, que a través de la síntesis de un ARN mensajero, codifican polipéptidos específicos. Estos sectores se denominan cistrones o genes estructurales.

• El promotor, donde se une la enzima ARN polimerasa, cuya función es sintetizar el ARN mensajero al transcribir los cistrones o genes estructurales.

• El locus o sitio operador, adyacente a los cistrones, donde se une la proteína represora.

• El gen regulador, que codifica la síntesis de una proteína alostérica llamada represor o proteína represora.

La proteína represora puede adoptar dos conformaciones, una activa o R, capaz de unirse al operador y otra inactiva o T, que no puede unirse al operador.El paso de una conformación a otra se efectúa por la unión no covalente de una sustancia que actúa como efector alostérico.Cuando el operón se activa, se produce el mecanismo de regulación de inducción enzimática.

INDUCCIÓN ENZIMÁTICALa inducción enzimática es el mecanismo mediante el cual, la presencia de una sustancia en el medio, provoca la síntesis de una enzima o grupo de enzimas, que efectúan su degradación.A la sustancia que provoca la inducción se le denomina inductor.La proteína represora sintetizada por el gen regulador se encuentra en estado R, o sea, activa y unida al sitio operador.Por este motivo, la ARN polimerasa no puede pasar del promotor hacia los genes estructurales o cistrones. No se efectúan la transcripción ni la traducción; ni se sintetizan las enzimas.En este mecanismo al presentarse el inductor en el medio, se une a la proteína represora, que cambia su forma al estado T o inactivo y se separa del operador.La ARN polimerasa alcanza entonces los genes estructurales o cistrones y se efectúan la transcripción y la traducción.Se activa entonces la síntesis de enzimas.Como se observa, la inducción enzimática es un proceso de desrepresión.Un ejemplo es el operón lac, cuya estructura y funcionamiento pueden profundizar en su libro de texto, siguiendo las orientaciones del CD de la asignatura.Por este mecanismo se produce la disminución de la acción de algunos medicamentos, como los barbitúricos, ya que inducen la síntesis de las enzimas hepáticas que los degradan para su excreción.

REPRESIÓN ENZIMÁTICALa represión enzimática es el mecanismo mediante el cual la presencia de una sustancia en el medio provoca la inhibición de la síntesis de una enzima o grupo de enzimas que participan en su propia síntesis.A la sustancia que provoca la represión se le denomina correpresor.La proteína represora sintetizada por el gen regulador se encuentra en estado T o sea inactiva y no se une al sitio operador.Por este motivo, la ARN polimerasa alcanza los genes estructurales o cistrones. Se efectúa la transcripción y luego la traducción, es decir se sintetizan enzimas.En este mecanismo, el correpresor en el medio, se une a la proteína represora, la que cambia su forma al estado R o activa y se une al operador.Bloquea entonces el paso de la ARN polimerasa hacia los genes estructurales o cistrones y se detienen la transcripción, la traducción y la síntesis de las enzimas.Un ejemplo es el operón trip, cuya estructura y funcionamiento pueden profundizar en su libro de texto, siguiendo las orientaciones del CD de la asignatura.

ENFERMEDADES MOLECULARESLa información genética contenida en los ADN y su expresión pueden alterarse por la acción de diferentes agentes, dando origen a las enfermedades moleculares.Las enfermedades moleculares son aquellas que se producen por alteración en la síntesis de una proteína específica.El mecanismo de producción está determinado por información defectuosa en el ADN.

De acuerdo al tipo de alteración pueden ser cuantitativas cuando falta completamente la proteína o se sintetiza en menor cantidad de la necesaria, como ocurre en la hipercolesterolemia familiar.Y cualitativas cuando se sintetizan proteínas con cambios en algunos aminoácidos o con pérdida de sectores de la molécula de proteína, lo que determina que se altere su función, como en la sicklemia.En las enfermedades moleculares las proteínas afectadas pueden ser:

• Estructurales, como en el Síndrome de Marfán.• De transporte, como en la sicklemia y algunas anemias hemolíticas.• Receptoras, como en la retinosis pigmentaria y la hipercolesterolemia familiar.• Transportadores intracelulares, como en la fibrosis quística y• Enzimas, como en los defectos congénitos del metabolismo.

CÁNCEREl cáncer es una entidad nosológica caracterizada por una proliferación celular desordenada e incontrolada que invade tejidos vecinos y alejados causando grandes daños al organismo en que se encuentra.

• CARACTERÍSTICAS DE LAS CÉLULAS CANCEROSAS• Multiplicación a velocidad mayor que la correspondiente al tipo celular que lo

originó, que no responde a los mecanismos de control del organismo.• Comportamiento invasivo, hacia tejidos vecinos y alejados, sin respetar los

límites normales entre órganos.• Alto consumo energético.• Predominio del metabolismo anaerobio, lo que hace que consuman más

nutrientes y liberen productos de oxidación incompletos.• Alteraciones inmunológicas, ya que presentan modificaciones en el mecanismo

de reconocimiento intercelular y • Alteraciones morfológicas, que afectan tanto al tamaño como la forma de la

célula.El conocimiento de estas características es importante para el diagnóstico y tratamiento del cáncer a través de diferentes métodos y técnicas como por ejemplo el estudio por biopsias, citologías; así como la utilización de anticuerpos contra proteínas propias de las células cancerosas. El desarrollo actual de los conocimientos sobre la estructura y función a los niveles molecular y celular ha permitido que se utilicen técnicas de ingeniería genética para el diagnóstico y tratamiento de esta enfermedad.

INGENIERÍA GENÉTICALa ingeniería genética se encarga de la manipulación de los genes en los organismos vivos.Para ello utiliza enzimas propias de los sistemas biológicos, como son las enzimas que participan en la síntesis de ácidos nucleicos y en la recombinación.Se logra incorporar información genética nueva al organismo, así como eliminar genes específicos.Una de las aplicaciones de la ingeniería genética es la terapia génica, en la cual se corrige la información genética deficiente del organismo, como ocurre en algunas enfermedades moleculares por deficiencia en la síntesis de una proteína específica, por ejemplo, la deficiencia congénita de la enzima adenina desaminasa.Otra de sus aplicaciones es el diagnóstico prenatal, mediante la síntesis de un segmento de ARN o ADN marcados, que son complementarios a cierta secuencia del ADN humano. Estos segmentos se denominan sondas y son específicos para detectar una enfermedad determinada.

Se hace resumen parcial y preguntas de comprobación.

Se orienta el estudio independiente y las tareas docentes para el logro de los objetivos propuestos, estimular el aprendizaje y ofrecer potencialidades educativas para la búsqueda y adquisición de conocimientos y el desarrollo de habilidades de los estudiantes durante la consolidación, práctica docente y la evaluación, para lo cual deberán ante todo revisar el CD y la guía didáctica con las orientaciones del tema para cada una de las actividades que tendrán en la semana.

CONCLUSIONES Se hace un resumen generalizador de los principales aspectos tratados en la

conferencia.

o La expresión de la información genética a través de la cual se sintetizan las proteínas, se realiza mediante los procesos de transcripción y traducción.

o Los procesos de replicación y transcripción ocurren en el núcleo y tienen una gran importancia biológica, ya que permiten la conservación y expresión de la información genética, contenida en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN, y con ello la conservación de la especie.

o El código genético permite que la información secuencial contenida en el ADN sea convertida en la información conformacional de las proteínas.

o La regulación de la expresión genética se realiza fundamentalmente a nivel de la transcripción y se efectúa por dos mecanismos: la inducción y la represión de la síntesis enzimática.

o Las enfermedades moleculares están determinadas genéticamente y se deben a alteraciones de la síntesis de proteínas específicas.

o La ingeniería genética permite modificar la información genética de los organismos vivos, constituyendo un importante recurso diagnóstico y terapéutico.

Se orienta la bibliografía Se motiva la próxima actividad que tratará el esqueleto de los miembros.

En el día de hoy orientamos el estudio del proceso de expresión de la información genética, a través del cual se sintetizan las proteínas que ejecutan las funciones codificadas en las moléculas de ADN, así como las manifestaciones que producen las alteraciones de su síntesis en el organismo.En la próxima actividad estudiaremos el proceso de formación de los gametos y como estos se fusionan para dar origen a un huevo o cigoto.