Apuntes de Biología

IntroducciónEs necesario recordar que la información genética está organizada en genes que fueron descritos primero por la

genética clásica como unidades de herencia. Posteriormente, fueron concebidos como paquetes discretos de información, alineados a lo largo de los cromosomas en el interior del núcleo, responsables de controlar los rasgos característicos de cada organismo. Luego se analizará la naturaleza bioquímica de los genes y en que consiste la información que contienen. Cada gen es una frase compuesta por una secuencia precisa de palabras formadas por cuatro letras que le dice a la célula como manufacturar una proteína en particular, sea esta una enzima con la cual se puede digerir un alimento, un anticuerpo con el que se combate las infecciones o algún receptor en el cerebro. Esta simple formula se conoce como “UN GEN UNA PROTEÍNA” y se considera uno de los dogmas de la biología molecular.

Se verá luego que la secuencia lineal de nucleótidos en un gen determina la secuencia lineal de los aminoácidos de una proteína, y de esta manera los genes determinan la forma y función de las proteínas, que a su vez son responsables del manejo de la energía y del fenotipo. Respecto a las enzimas, es importante recordar primero que las reacciones químicas en las células ocurren en etapas secuenciales y que cada reacción es catalizada específicamente por un solo tipo de enzima (incluyendo sus isoformas) y que cada enzima está codificada por un solo gen. La función de una enzima depende de su estructura tridimensional, que a su vez depende de su secuencia lineal de aminoácidos y de las condiciones físicas y químicas en que se encuentran.

Transformación Bacteriana:

Fig 1. La transformación Bacteriana fue descrita por Frederick Griffith (en 1928), quien observó que los diplococos encapsulados (Lisos o S) producían una infección fatal en los ratones, en tanto que los no capsulados (R o rugosos) no lo hacían. Las células S muertas obviamente son inofensivas.PERO, al mezclar células R vivas con células S muertas por calor. Se puede producir una infección fatal. Al examinar la rata, se observó en ellas células vivas CAPSULADAS. Indudablemente, las células capsuladas provienen de células R que se transformaron usando el material genético de las células S muertas.

Fig 2. La pregunta que cabía ahora es: ¿Cuál es la naturaleza del principio para transformarse? Cuando se fraccionaron diplococos encapsulados, Oswald Avery, C. MacLeod y M. McCarty en la década del 40 llegaron a DETERMINAR LA NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO HEREDITARIO: El ADN, demostrando que otras sustancias no tienen efecto en la transformación bacteriana hereditaria por supuesto.

Pese a que esta prueba demostraba que el ADN era el principio por el cual las células se podían transformar (genes), la comunidad científica se resistía a aceptar la importancia genética del ADN

En 1952, Hershey y M. Chase demostraron que el ADN del Fago T2 , un virus1 que parasita bacterias, era la molécula que se introducía en la célula bacteriana para la reproducción viral. No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cómo un compuesto tan simple podía almacenar y transmitir tanta información. La respuesta la proporcionó el progresivo conocimiento de su estructura.

Estructura del ADN

Fig 1.

Fig 2.

virus1. En biología, un virus (del latín virus, «toxina» o «veneno») es una entidad infecciosa microscópica que sólo puede multiplicarse dentro de

las células de otros organismos. Los virus infectan todos los tipos de organismos, desde animales y plantas hasta bacterias y arqueas. Los virus son demasiado pequeños para poder ser observados con la ayuda de un microscopio óptico, por lo que se dice que son submicroscópicos. Los virus no son considerados seres vivos ya que carecen de metabolismo, generalmente son partículas de ADN envueltos por una membrana y un par de enzimas que les permiten penetrar en células.

En 1953 J. Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructura de doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética, nadie dudó de la función y la importancia del ADN.

Ácidos Nucleicos: Se denominan así a un grupo de macromoléculas porque contienen un radical ácido, y se les encontró primero asociados al núcleo. Son las moléculas portadoras de la información genética de la célula, la cual está codificada en el ADN, y se extrae o interpreta con ayuda del ARN.

Los ácidos nucleicos, poseen una composición química en base a C, H, O, N, P, y están formados por monómeros llamados nucleótidos, cada uno de los cuales está formado por un azúcar de 5 Carbonos (pentosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato.

La azúcar (pentosa) que conforma los nucleótidos puede ser ribosa o desoxiribosa . La presencia de uno u otro tipo de azúcar determina si el

polímero es ARN O ADN. El OH del Carbono 1 del azúcar ha sido reemplazado por una base nitrogenada y en el Carbono 5 existe un grupo fosfato.

Los nucleótidos, por lo tanto, pueden ser Ribonucleotidos o Desoxiribonucleotidos

Las BASES NITROGENADAS pueden también ser de dos tipos: púricas o pirimídicas. Las púricas son adenina (A) y guanina (G) , en tanto que las pirimídicas son timina (T) (exclusiva del ADN) citosina (C) y uracilo (exclusiva del ARN).

EL ADN (ÁCIDO DESOXIRIBONUCLEICO) El ADN está formado por DOS CADENAS

POLINUCLEOTÍDICAS antiparalelas de nucleótidos, enrolladas una en torno a la otra para formar una HÉLICE, según modelo propuesto en 1953 por Watson y Crick, basados en los trabajos de Wilkins, con quien compartieron el premio Nóbel en 1961.

El ADN, entonces, está formado por dos cadenas o hebras llamadas de Watson y Crick respectivamente. Una de las hebras o cadenas se encuentra en posición 3´ -5´ (Se lee tres prima – cinco prima) y la otra cadena se encuentra en posición 5´3´.

En el ADN las bases nitrogenadas se unen de la siguiente forma: La Adenina (A) con la Timina (T) a través de 2 puentes de Hidrógeno y la Guanina (G) con la Citocina (C) a través de 3 puentes de Hidrógeno.

Relación Entre Gen y Proteína

Gen: Corresponden a segmentos del ADN que comandan una característica específica de un organismo.

Los genes contienen la información para la producción regulada de proteínas que pueden ser: enzimas o proteínas estructurales. Y de esta manera controlan las reacciones bioquímicas y la forma de los organismos.

El material genético se manifiesta dando forma y función a las proteínas, y debe replicarse con la suficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempo permitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato para la evolución.

Relación Entre Genotipo y Fenotipo

Genotipo: Corresponde la constitución genética de una sola célula o de un organismo con referencia a una sola característica o a un conjunto de característica; la suma total de todos los genes de un individuo.

Fenotipo: Corresponde a las características observables de un organismo que resulta de las interacciones entre el genotipo y el ambiente.

Por definición se ha establecido que:Fenotipo=Genotipo+Ambiente

La relación de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en las siguientes secuencias:

El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez está determinado por el fenotipo de sus células componentes.

El fenotipo de una célula está determinado por su química interna, que es controlada por las enzimas que catalizan sus reacciones metabólicas.

La función de una enzima depende de su estructura tridimensional específica, además depende de su secuencia lineal específica de aminoácidos.

Las enzimas y las proteínas estructurales, presentes en una célula, están determinadas por el genotipo de la célula.

Los genes especifican la secuencia lineal de aminoácidos en las proteínas y por lo tanto los genes determinan el fenotipo.

El fenotipo está determinado por el genotipo más la acción ambiental.

Replicación del ADN

La replicación del ADN se da en el ciclo celular, específicamente en la fase S de la interfase. Respecto a la replicación del ADN, debe ser evidente que ha de ser un proceso que garantice la suficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de la especie. No obstante debe, además permitir algunas alteraciones, de modo que haya

podido surgir y sigan surgiendo, a lo largo de la historia evolutiva, diferentes versiones de los genes.

La molécula original de ADN abre su doble hélice gracias a la enzima helicasa, y cada una de las cadenas sirve como molde para que la ADN polimerasa forme una cadena complementaria, en donde CADA HEBRA DEL ADN QUE SE FORMA, POSEE UNA SECUENCIA DE BASES COMPLEMENTARIAS a la que sirve de molde

(templado). Este modelo de duplicación del ADN, en que cada molécula hija de ADN posee una cadena materna ( o vieja que le sirvió de molde) y una recién polimerizada (hebra nueva o joven), se denomina MODELO DE REPLICACION SEMICONSERVATIVA, observado en 1958 por Messelson y Stahl. Además de la helicasa, se requiere de proteínas desestabilizadoras de la hélice que ayudan a mantener separadas las cadenas de ADN.

ARN (ACIDORIBONUCLEICO)

El ARN está formado por UNA CADENA POLINUCLEOTIDICA, que puede permanecer lineal, estirada o adoptar otras formas. Su composición química cosiste en una azúcar de 5 carbonos que en el ARN corresponde a una ribosa como vimos anteriormente. Posee las mismas bases nitrogenadas que en el ADN, con excepción de la timina (T) que es sustituida por uracilo (U) y finalmente lo compone un grupo fosfato. Es importante señalar que el ARN es sintetizado por proteínas (enzimas) a partir de la hebra de ADN gracias a una enzima llamada ARN polimerasa y otras que ayudan a la formación de la cadena. Se han encontrado tres tipos de ARN: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosómico (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt):

Tipos de ARN FunciónARNm Lleva la información para la síntesis de

proteínasARNr Participa en la síntesis de proteínas

formando parte de los ribosomasARNt Actúa como adaptador entre el ARNm y los

aminoácidos

Los descubrimientos relacionados con el flujo de la información contenidas en los genes llevaron a enunciar el llamado dogma central de la biologia molecular, que plantea

que la información genética contenidas en el ADN es transcrita en forma de ARN y traducida en proteínas. La única excepción a esta regla son los virus ARN, que tienen ARN como molde para ADN, y así forman ARN y proteínas. Son los llamados Retrovirus que, en el proceso de transcripción inversa, sintetizan ADN de doble hélice tomando como molde el ARN.

Transcripción y expresión Génica

Se conoce como expresión génica al proceso por el cual se lee un gen para producir una molécula de ARN y luego una proteína. Los genes inician su expresión cuando las enzimas que se encuentran en el núcleo forman una molécula de ARN, con el mensaje genético del ADN, proceso conocido como Transcripción.

La transcripción cosiste en la síntesis de una molécula de ARN a partir de una de las cadenas del ADN; esta cadena se denomina complementaria, molde o templado; la otra hebra del ADN se denomina no complementaria.

Es importante destacar que los ARN que se sintetizan a partir de la hebra de molde o templado de ADN puede terminar como: ARNm (ARN mensajero), ARNt (ARN de transferencia) O ARNr (ARN ribosomal); estos dos últimos (ARNt y ARNr) no llevan información genética para la síntesis de una proteína, pero son imprescindibles en el proceso.

Etapas de la transcripción:

a) Iniciación o ensamblaje de moléculas.b) Elongación o crecimiento de de la molécula de ARN.c) Terminación o conclusión de la cadena de ARN. d) Maduración o transformación del ARN transcrit

Análisis de cada una de ellas:

a) Iniciación:

Cuestiones básicas sobre la síntesis de ARN:

Todos los ARN se sintetizan por medio de reacciones catalizadas por ARN polimerasas, gracias al a información contenidas en el ADN que sirve de patrón o molde. La dirección de la transcripción siempre va de 5`a 3`.

La síntesis se produce por complementariedad de bases. L a cadena de ARN no aparecerá la base timina (T) que será sustituida por uracilo (U).

La enzima girasa desenrolla la hebra de ADN mientras que la helicasa las separa una de otras. Luego la ARN polimerasa se une fuertemente cuando entra en contacto con una secuencia especifica de ADN, 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 donde se inicia la transcripción, en cuál de las dos hebras del ADN y en qué lugar.

b) Elongación:Después de unirse al promotor, la ARN 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.

Durante la elongación de la cadena de ARN, la polimerización alcanza una velocidad de 30 nucleótidos por segundo a 37º Celsius. Por consiguiente, una cadena de ARN de 5000 nucleótidos tarda unos 3 minutos en sintetizarse.

c) Terminación:Existen diversas señales de terminación en el ADN molde que son secuencias que desencadenan la separación de la enzima ARN polimerasa de la cadena molde y del ARN transcrito, esto porque la secuencia al que ha llegado no le indica que debe agregar más nucleótidos para la síntesis de ARN.

d) Maduración:

En procariontes: El ARN mensajero, antes de terminar el proceso de transcripción empieza a ser traducido, por lo tanto no necesita de maduración, habitualmente son policistrónicos2. Los ARN 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`.

En eucariontes: cada gen eucarionte se transcribe separadamente (monocistrónico2`), con un control transcripcional independiente para cada uno. Los distintos ARN transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones no encontradas en procariontes. 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 mas complejo y de reciente evolución. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinación genética (vía crissing- over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolución. De acuerdo a esto se debe establecer que el ARNm recién transcrito no es igual al ARNm que se usa finalmente para formar proteínas. El ARNm original posee dos zonas

claramente definidas: una zona donde existen segmentos que no participan en la síntesis de proteínas llamados INTRONES, que son eliminados por las enzimas de restricción que se encuentran en el núcleo, que funcionan como verdaderas tijeras y cortan el ARNm exactamente en el lugar correcto; otra zona de la cadena contiene los segmentos que participan en la síntesis de proteínas, que se llaman EXONES, y que son unidos entre si por enzimas presentes en el interior del núcleo. Por lo tanto existe un sofisticado sistema de corte de intrones y empalme de exones, que finalmente determina una molécula de ARNm madura, más corta que la original, pero con capacidad de traducción.Código Genético

El código genético es el “diccionario” usado para lograr la traducción de la información genética, escrita en lenguaje nucleotídico de cuatro bases nitrogenadas, a un “idioma” aminoacídico escrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminoácidos que encontramos formando parte de las proteínas de un ser vivo, están representados en el código

genético de la agrupación de tres bases nitrogenadas (triplete o codón) de las cuatro existentes. Este código fue “descifrado” por Marshall, Niremberg, Heinrich Matthaei, Robert Holley y Har Gobind Khorana, 10 años después que James d, Watson y Francis Crick “desenmarañaran” el misterio de la estructura del ADN.

El código genético es universal, ya que es el mismo para todos los seres vivos. Cada codón tiene el código para un solo aminoácido y, como son 20 los aminoácidos, cada aminoácido puede estar codificado por más de un codón. Por ese motivo, se dice que el código genético es degenerado o redundante.

TraducciónLa 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 y C), se traduce en información tridimensional, escrita con cuatro 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.

I. ARNm, el transportador de la información: El ARNm es la molécula responsable de transportar la información lineal, que debe traducirse a información tridimensional (proteínas). En bacterias, ARNm es traducido, sin mayor modificación, aun cuando su síntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir

que en bacterias la transcripción y la traducción son procesos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (en el citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripción y traducción se hayan separados, espacial y temporalmente. Los ARNm se sintetizan fundamentalmente en el núcleo de la célula eucarionte y se combina con diversas proteínas, formando complejos ribonucleicos heterogéneos nucleares o RNPhn3.

II. Ribosomas, “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 ARNm y la sub-unidad mayor posee la enzima que efectúa la unión peptídica para los ARNt, denominados: Sitio P (Por peptidil), Sitio A (por aminoacil) sitio E( por exit, salida).

III. ARNt, el vehículo de los aminoácidos:

Policistrónicos2. En biología, significa que en la transcripción se codifican más de una proteína a la vez

Monocistrónicos2`. En biología, significa que en el proceso de la transcripción se codifica solo una proteína a la vezCada triplete constituye un codón; existen en total 64 codones; 61 de ellos codifican aminoácidos y 3 son codones de término para el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden generarse 64 (43) combinaciones; en cambio la relación de 41

o 42 no permitirá generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminoácidos.

Los ARNt 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 ARNm.

IV. Aminoacil- ARNt sintetasa, una enzima clave: El aminoácido se une a su correspondiente ARNt por la acción de una enzima llamada Aminoacil- ARNt sintetasa.Cada aminoácido se activa por su Aminoacil- ARNt sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas distintas para cada aminoácido.

Aminoácido + ATP + tRNA →⎯⎯⎯⎯⎯ Aminoacil + tRNA + AMP + PPi ↑

Aminoacil + tRNA sintetasaAlgunos investigadores se refieren a esta reacción como la carga del ARNt. La energía usada en la carga del aminoácido a su correspondiente ARNt, queda depositada en la unión química entre aminoácido y el ARNt. Esta energía será utilizada posteriormente por la actividad de la peptidil transtetasa presente en la sub-unidad mayor del ribosoma para la formación del enlace peptídico.

V. 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.

1. 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 N-formilmetionina. Por este motivo, el primer aminoácido incorporado durante la síntesis de muchas proteínas bacterianas es una metionina modificada, la N-formilmetionina(Figura 11).

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.

2. Elongación:

El proceso de elongación de la cadena polipeptídica sobre un ribosoma se puede considerar como un ciclo de tres etapas (Figura 12):

a) El tRNA cargado que se introduce en el sitio A, vacío, quedará cerca de la N-fornilmetionil-tfMetRNA, que está localizada en el sitio P.

b) 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.

c) 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.

3. 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 sub-unidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser utilizados en una nueva síntesis (Figura 13).