BIOLOGA MENCIN

BM-13

E X P R E S I N G N I C A

2

INTRODUCCIN

La expresin gnica es el proceso mediante el cual la informacin almacenada en el DNA es

usada para dirigir la sntesis de un producto gnico especfico (protenas; RNAr; RNAt).

Este producto gnico es el responsable de llevar a cabo una funcin celular especfica, la que

terminar manifestndose como un rasgo fenotpico adquirido por la clula en la que esta

informacin gentica se expresa.

Sin embargo, el momento en que esta informacin gentica es expresada, se encuentra altamente

regulada por diversos factores (entre ellos, estmulos ambientales, la accin reguladora de

ciertas hormonas, el grado de condensacin de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, en

todo momento, la produccin adecuada de protenas, para cuando ellas sean requeridas por el

metabolismo celular.

Durante el proceso de diferenciacin celular, la expresin gnica se regula de modo que ciertos

genes se "encienden" y otros se "apagan", permitiendo a las clulas modificar su contenido

proteico y, por lo tanto, su propio fenotipo, que es el requisito necesario para transformar un

tipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a un

individuo.

Las mutaciones pueden alterar la informacin almacenada en los genes, originando a partir de

un gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). Estos genes alelos son los

responsables de las variaciones fenotpicas (diversidad biolgica) que manifiestan las

poblaciones de seres vivos, sobre las que acta el proceso de seleccin natural durante la

evolucin de los seres vivos.

1. LOS EXPERIMENTOS QUE DEMOSTRARON QUE EL DNA ES EL

MATERIAL GENTICO

Hacia 1887 los investigadores haban llegado a la conclusin de que la base fsica de la herencia

se hallaba en el ncleo. Se demostr que la cromatina consista en cidos nucleicos y protenas

pero no se saba con certeza cul de las dos sustancias era el material gentico.

Mientras los qumicos procuraban resolver la estructura del DNA, los bilogos trataban de

identificar la fuente de informacin gentica. Se llevaron a cabo experimentos con bacterias y

con virus, que proporcionaron la evidencia fundamental de que el material gentico no era la

protena sino el DNA.

Descubrimiento del principio de transformacin

En 1928, F. Griffith observ que la bacteria Streptococcus pneumoniae, productora de la

neumona humana, se presentaba en dos cepas distintas. Una de ellas es virulenta (provoca la

enfermedad), presenta capsula y forma colonias con aspecto liso; denominada cepa IIIS y a la

otra variante de neumococo, que no presenta cpsula, no produce la enfermedad y forma colonias

rugosas se denomin cepa IIR. Con estas dos cepas Griffith realizo el siguiente experimento

(Figura 1).

3

Figura 1. Experimento de Griffith que puso en evidencia la existencia de un principio transformante

El experimento hizo que Griffith llegara a la conclusin de que las bacterias de tipo IIR se

haban transformado de algn modo y haban adquirido la virulencia gentica de las bacterias

muertas de tipo IIIS. Esta transformacin produjo un cambio gentico permanente en las

bacterias, sin embargo Griffith no comprendi la naturaleza de la transformacin y supuso que

alguna sustancia de la cubierta de polisacridos de las bacterias muertas podra explicar el

cambio. A esta sustancia la denomin principio de transformacin.

Pregunta: un extracto de bacterias muertas

puede transformar genticamente clulas vivas?

Experimento

Conclusin: una sustancia presente en las bacterias virulentas muertas por

accin del calor transform genticamente las bacterias de tipo IIR en

bacterias de tipo IIIS virulentas vivas,

4

Pregunta: cul es la naturaleza qumica de la

sustancia de transformacin?

Experimento

Conclusin: dado que solo la DNasa

destruy la sustancia de transformacin, la

sustancia responsable de la transformacin

es el DNA.

Identificacin del principio de transformacin Posteriormente y tras diez aos de investigacin Avery junto con MacLeod y MacCArty pudieron aislar y purificar esta sustancia. Demostraron que su composicin qumica corresponda al DNA y diferente de las protenas.

Sometieron a la sustancia a la accin de diversas enzimas, como la tripsina y la quimiotripsina, las cuales actan en la degradacin de las protenas, pero no tenan ningn efecto sobre esta sustancia. Lo mismo suceda con la ribonucleasa; enzima que destruye al RNA. Sin embargo las enzimas capaces de destruir el DNA eliminaron la actividad biolgica de la sustancia de transformacin. (Figura 2). Adems los cientficos demostraron que la sustancia de transformacin purificada se precipitaba con la misma velocidad que el DNA purificado y absorba la luz ultravioleta en la misma longitud de onda que el DNA. Estos resultados publicados en 1944, fueron la primera evidencia convincente que el principio transformante y por ende la informacin gentica est en el DNA.

Pese a que esta prueba demostraba que el DNA era el principio transformante, muchos bilogos se resistan en aceptar esta idea y preferan la hiptesis de que el material gentico era la protena. Esto principalmente porque las protenas presentan 20 aminocidos diferentes para estructurarlos, asegurando con ello una gran diversificacin.

Figura 2. Experimentos de Avery, MacLeod

y MacCarty para la identificacin del principio de transformacin.

El calor mata a las bacterias virulentas, se homogeniza y se filtra.

5

Segunda evidencia: Experimento con virus de Hershey - Chase

Frente a la resistencia de muchos bilogos, en 1952 Alfred Hershey y Martha Chase

proporcionaron una segunda evidencia de que el DNA es el material gentico.

Estos cientficos realizaron un trabajo experimental con el virus T2, un bacterifago que infecta a

la bacteria Escherichia coli, el cual se reproduce unindose a la pared externa de la bacteria,

inyectando su DNA dentro de ella donde se replica y dirige la sntesis de las protenas propias del

fago. El DNA del fago se encapsula dentro de las protenas y produce los fagos, que lisan o

rompen la clula y liberando los fagos de la progenie.

En ese momento los bilogos no comprendan con exactitud cmo se reproducan los fagos. Si

saban que los fagos T2 se componan de un 50 % de protenas y de un 50 % de cidos nucleicos

y que los fagos ingresaban a las bacterias y se reproducan. Como la progenie portaba los mismos

rasgos de infeccin, el material gentico de este deba transmitirse a la descendencia, pero se

desconoca el mecanismo.

Hershey y Chase idearon una serie de experimentos para determinar que se transmite durante la

reproduccin del fago: la protena o el DNA.

Para rastrear el destino de las molculas en la reproduccin viral, utilizaron formas radioactivas

(istopos) del fsforo y azufre. Un istopo radioactivo puede utilizarse como marcador para

identificar la ubicacin de una molcula especfica, porque cualquier molcula que contenga el

istopo es radioactiva y, por ende, fcil de detectar. El DNA contiene fsforo, pero no azufre, por

lo tanto se utiliz 32P para marcar el DNA, en cambio la protena tiene azufre, pero no fsforo,

por lo que se utiliz 35S .El desarrollo del trabajo experimental de Hershey y Chase se presentan

en la figura 3.

Este trabajo les permiti a los cientficos concluir que es el DNA y no la protena la que entra en la

bacteria durante la reproduccin del fago y que solo el DNA se transmite a los fagos de la

progenie.

No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cmo un compuesto tan simple poda

almacenar y transmitir tanta informacin. La respuesta la proporcion el progresivo conocimiento

de su estructura. Desde que, en 1953, J. Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructura

de doble hlice, que explicaba cmo se poda almacenar y transmitir la informacin gentica,

nadie dud de la funcin y la importancia del DNA.

El DNA es la macromolcula portadora de los genes. Un gen se define como el factor gentico

que contribuye a determinar una caracterstica, las secuencias de ADN que codifica una

molcula de ARN o la secuencia completa del DNA requerida para transcribir y codificar una molcula de RNA.

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Figura 3. Experimento de Hershey y Chase para identificar si el material gentico era la protena o el DNA.

Pregunta: qu parte del fago el DNA o la protena- sirve como material gentico y se transmite a su progenie?

Experimento

Conclusin: el material gentico de los bacterifagos no es la protena sino el DNA.

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Exn 3 Exn 1 Exn 2 Exn 4 Promotor Intrn 1 Intrn 2 Intrn 3 Termino

Gen Eucarionte (Unidad de transcripcin)

2. CONCEPTO DE GEN

En la actualidad se cuenta con nuevos elementos que permiten precisar algunas definiciones, lo

cual no significa que estos conceptos sean nicos y definitivos, ni que estas concepciones sean las

nicas imperantes.

Los genes tienen diferente longitud y no estn ubicados en forma equidistante. Cada gen es una

porcin de una molcula de DNA y no tiene extremos fsicos. Los genes no son contiguos, sino que

estn separados por regiones no codificantes de DNA. Algunos estn agrupados y otros aislados

en diferentes regiones del cromosoma.

Una de las posibles definiciones de gen corresponde a todo segmento de DNA que se

encuentra luego de un promotor y que puede ser transcrito por una RNA polimerasa y

originar un RNA funcional (mRNA, rRNA, tRNA, snRNA, ribozima y otros tipos de RNA).

Figura 4. Representacin de un gen eucariontes y sus componentes bsicos.

Como se observa, muchos genes codifican RNA que nunca se traducen en protenas, como los

tRNA, los rRNA y los RNA que forman parte de los snRNP. As, las definiciones clsicas no se

ajustan a los conocimientos actuales.

Los nuevos procedimientos y modelos de la biologa molecular nos llevan a revisar

constantemente los conceptos y definiciones que alguna vez resultaron tiles. Esto demuestra,

una vez ms, que la biologa molecular, tanto como las otras ramas de la biologa, es una ciencia

que se construye por medio de un proceso de cuestionamiento permanente, formulando

modelos que pueden ser perfectibles. A su vez, es importante considerar que la biologa

molecular brinda un nivel de aproximacin de los fenmenos biolgicos, pero que existen otros

niveles de organizacin que influyen y son influidos por los fenmenos que ocurren a nivel de las

bases moleculares de vida.

Los genes que contienen la informacin que se expresan en la produccin regulada de

enzimas y protenas estructurales permiten controlar las reacciones bioqumicas y la

forma de los organismos.

El material gentico se manifiesta dando forma y funcin a las protenas, 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 en la evolucin.

8

3. RELACIN ENTRE GENOTIPO Y FENOTIPO

Primero se definirn ambos trminos.

Genotipo: corresponde a la constitucin gentica de una sola clula o de un organismo con

referencia a una sola caracterstica o a un conjunto de caractersticas; la suma total de todos

los genes de un individuo.

Fenotipo: corresponde a las caractersticas observables de un organismo que resulta de las

interacciones entre el genotipo y el ambiente.

La relacin de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en la siguiente secuencia

de conceptos:

El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez est determinado

por el fenotipo de sus clulas componentes.

El fenotipo de una clula est determinado por su qumica interna, que es controlada por las

enzimas que catalizan sus reacciones metablicas.

La funcin de una enzima depende de su estructura tridimensional especfica, adems depende

de su secuencia lineal especfica de aminocidos.

Las enzimas y las protenas estructurales, presentes en una clula, estn determinadas por el

genotipo de la clula.

Los genes especifican la secuencia lineal de aminocidos en las protenas y por lo tanto los

genes determinan el fenotipo.

El fenotipo est determinado por el genotipo ms la accin ambiental.

4. FLUJO DE LA INFORMACIN GENTICA

F. Crick enunci lo que l llam el dogma central, segn el cual la informacin fluye del DNA a

las protenas en una nica direccin.

DNA transcripcin

RNA traduccin

Protenas

As, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composicin de las protenas. F. Crick fue

criticado por utilizar el trmino dogma ya que un dogma es algo que no se pone en duda. El

cientfico reconoci ms tarde que debi llamarlo hiptesis central.

Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unas

pocas excepciones. La principal excepcin corresponde a la transcripcin inversa, en la cual la

informacin codificada por ciertos virus que contienen RNA se transcribe al DNA por la accin de la

enzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hiptesis central hoy se presenta as.

DNA transcripcin

(transcriptasa

inversa)

RNA traduccin

Protenas replicacin

El genoma humano es la totalidad de la informacin del Homo sapiens, es decir, la

secuencia de ADN contenida en 23 pares de cromosomas en el ncleo de

cada clula humana diploide y la secuencia del ADN mitocondrial.

9

5

3

DNA

RNA polimerasa

cadena de DNA transcrita

5 RNA transcrito

Regin promotora

3

5

5

3

5

Reenrollamiento del DNA

cadena de DNA no transcrita

Desenrollamiento del DNA

3

Sentido de la transcripcin

DNA

3 3

5

3 5

(no forma parte del marco de lectura)

TRANSCRIPCIN O SNTESIS DEL RNA

La transcripcin consiste en la sntesis de una molcula de RNA a partir de una de las cadenas del

DNA; esta cadena se denomina complementaria, molde, no-codificadora o templado; la otra

hebra del DNA se denomina no complementaria o codificadora (Figura 5). Figura 5. Representacin del proceso de transcripcin. Observe que la direccin de la trascripcin siempre

es de 5 a 3, es decir, la elongacin o crecimiento de la molcula de RNA es siempre por el extremo 3.

Es importante destacar que los RNA que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra molde o

templada de DNA puede terminar como: RNA mensajero, RNA de transferencia y/o RNA

ribosomal; estos dos ltimos no llevan informacin gentica de una protena, pero son imprescindibles en el proceso de sntesis de ella.

Cuestiones bsicas sobre la sntesis de RNA:

Todos los RNAs se sintetizan por medio de reacciones catalizadas por RNA polimerasas,

gracias a la informacin contenida en el DNA que sirve de patrn o molde. La direccin

de la transcripcin siempre va en el sentido 5 a 3.

La sntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de RNA que se forma

es complementaria a un fragmento de una de las cadenas de DNA. En la cadena de RNA

no aparecer la base timina que ser sustituida por uracilo.

Existen notables diferencias en la transcripcin de clulas procariontes y eucariontes.

10

Etapas de la transcripcin:

Se estudi inicialmente en Escherichia coli y el proceso consta de cuatro fases:

A) Iniciacin o ensamblaje de molculas.

B) Elongacin o crecimiento de la molcula de RNA.

C) Terminacin o conclusin de la cadena de RNA.

Post transcripcin.

Maduracin o transformacin del RNA transcrito.

Se har un breve anlisis de cada una de ellas.

A) Iniciacin

La RNA polimerasa se une fuertemente cuando entra en contacto con una secuencia especfica de

DNA, llamada promotor. En el promotor se encuentran dos cortas secuencias situadas entre -35 y

-10 nucletidos del inicio (0) de la transcripcin. La misin de las secuencias promotoras es indicar

dnde se inicia la transcripcin, en cul de las dos hebras del DNA y en qu lugar (Figura 6).

Figura 6. Centros promotores y sitio de inicio de la transcripcin en la hebra molde o templado de DNA.

B) Elongacin

Despus de unirse al promotor, la RNA polimerasa abre una regin localizada de la doble hlice,

de forma que expone los nucletidos de ambas cadenas de una pequea zona del DNA. Una de las

dos cadenas expuestas del DNA acta como patrn para el apareamiento de las bases

complementarias y se inicia la formacin de una cadena de RNA. De esta forma, la cadena de

RNA va creciendo nucletido a nucletido en direccin 5 a 3 (Figura 7). El proceso de elongacin

de la cadena contina hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del DNA, la

seal de terminacin.

Inicio de la transcripcin

-35 -

0

TTGACA TATATT

DNA -10

Durante la elongacin de la cadena de RNA, la polimerizacin alcanza una velocidad

de 30 nucletidos por segundo a 37 C. Por consiguiente, una cadena de RNA de

5.000 nucletidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.

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mRNA

Transcrito primario

Transcripcin

Cadena no transcrita

Cadena transcrita mRNA

(copia

complementaria

de la cadena de

DNA

transcrita)

DNA

Figura 7. Sntesis de una molcula de mRNA.

C) Terminacin

Existen diversas seales de terminacin en el DNA molde que son secuencias que desencadenan

la separacin de la enzima RNA polimerasa de la cadena molde y del RNA transcrito.

D) Maduracin

En procariontes el RNA mensajero, antes de terminar el proceso de transcripcin empieza a ser traducido, por lo tanto no necesita de maduracin, habitualmente son policistrnicos. Los

RNA ribosomal y de transferencia se forman a partir de transcritos primarios. La maduracin

consiste en modificaciones tales como rupturas de la cadena y aadidos de nucletidos (-CCA)

en el extremo terminal 3. Un solo tipo de RNA polimerasa permite transcribir todos los tipos de

RNA y es distinta a las observadas en eucariontes.

En eucariontes cada gen eucariota se transcribe separadamente (monocistrnico), con un control transcripcional independiente para cada uno. Las clulas eucariontes poseen tres tipos

distintos de RNA polimerasas cada una de los cuales es responsable de la transcripcin de los

diferentes tipos de RNA: La RNA polimerasa I transcribe el rRNA (RNA ribosomal) la RNA

polimerasa II el pre mRNA y algunos snRNAy la polimerasa III el tRNA.

12

Los distintos RNA transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones no

encontradas en procariontes. A medida que transcurre la transcripcin, las molculas de mRNA, llamadas transcritos primarios, son modificadas. Esto ocurre antes de que sean transportadas

al citoplasma, que es el sitio donde ocurre la traduccin. Las modificaciones son varias e incluyen:

1. Adicin del CAP: Un nucletido modificado de guanina (CAP) se aade al extremo 5 del

mensajero. Este proteccin es imprescindible para la unin del mRNA al ribosoma y

protege al mRNA de la degradacin por exonucleasas citoplasmticas.

2. Poliadenilacin: En el extremo 3 del mRNA hay una secuencia seal (AAUAAA) a la que se

unen factores especficos y la enzima poli-A polimerasa. Esta enzima estimula la escisin en

un sitio ubicado 10 a 35 nucletidos hacia el extremo 3 de la seal. Luego, la enzima

agrega, de a uno, una cola de ribonucletidos de adenina (cola de poli-A) y as se genera el

extremo 3 del mRNA maduro. Esta cola de poli-A, contiene 100-250 nucletidos y parecera

que influyen en la estabilidad y en la capacidad de que los mRNA sean traducidos en el

citoplasma.

3. Corte y empalme o splicing: Durante la transcripcin, el mRNA sufre un proceso de corte

y eliminacin de secuencias que no llevan informacin llamadas intrones, y el

posterior empalme de los exones; secuencias que si llevan informacin. En un primer paso

se unen al mRNA inmaduro unas pequeas partculas de RNA nucleares asociadas con

protenas denominadas snRNP (del ingls, small nuclear ribonucleo-protein particles). Las

snRNP se unen a secuencias cortas ubicadas entre los intrones y los exones. Luego se

aaden ms protenas y forman un gran complejo con el RNA que se denomina spliceosoma.

Adems de desempear funciones de reconocimiento de esas secuencias, las snRNP llevan a

cabo funciones catalticas.

Figura 8. Procesamiento del mRNA en eucariontes.

CAP Proteccin

5

5

CAP Proteccin

13

El proceso de splicing, catalizado por spliceosomas, ocurre solo en organismos eucariotas. Las

secuencias que se eliminan son los intrones, mientras que las secuencias que permanecen y

forman parte del mRNA maduro son los exones.

Figura 9. Procesamiento diferencial del RNA mensajero.

En muchos casos, un mismo transcrito primario o pre mRNA (RNA heteronuclear) puede ser

procesado por splicing en ms de una forma. Este empalme alternativo permite obtener

molculas de mRNA maduro diferentes a partir de molculas de mRNA inmaduro originalmente

idnticas, lo cual da por resultado polipptidos con distintas funciones; un mismo gen puede

producir una protena en un tejido y otra distinta en otro tejido.

Esto es posible porque algunos genes producen molculas de pre-mRNA que tienen mltiples

patrones de empalme. Se ha observado que estos pre-mRNA presentan un segmento que puede

ser Intrn o Exn. Este procesamiento diferencial del RNA nuclear permite, a las clulas de cada

tejido, producir su propia versin de mRNA correspondiente al gen especfico (Figura 9).

El investigador Thonas R. Cech y sus colaboradores, en los Estados Unidos, estudiando el splicing

del rRNA en un ciliado de agua dulce llamado Tetrahymena, encontraron que en estos organismos

unicelulares eucariontes el propio intrn del rRNA inmaduro acta como catalizador de la escisin

y el empalme, es decir, se produce un empalme autocataltico. Esta secuencia de RNA se pliega

formando una estructura compleja que funciona como enzima, que se ha denominado ribozima.

Se han encontrado otros ejemplos de empalme autocataltico en varios organismos, en RNA

codificados por genes mitocondriales o de cloroplastos, en algunos genes nucleares de eucariontes

unicelulares y en algunos genes de bacterifagos, pero no en eucariontes multicelulares.

De gran importancia es el hecho que los genes eucariontes poseen en su estructura exones

e intrones, situacin no observada en procariontes. El nmero de intrones vara para cada

gen, sin embargo, su nmero aumenta a medida que el organismo es ms complejo y de

reciente evolucin. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinacin gentica

(va crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolucin (de cambio).

14

GENES INTERRUMPIDOS POR INTRONES

En las clulas eucariontes existen secuencias llamadas intrones que interrumpen a los

exones. Estos intrones se transcriben a molculas de ARN, pero se escinden antes de la

traduccin en protenas por medio del proceso corte y empalme; los exones en cambio

persisten en el ARN maduro. El nmero y tamao de los intrones por gen vara

considerablemente: por ejemplo el gen que codifica la ovoalbmina, una protena muy

abundante de los huevos de las aves posee siete intrones largos, mientras el gen para una

de las subunidades de la hemoglobina en mamferos, la globina beta tiene solo dos

intrones. A continuacin se presenta un trabajo de hibridacin de un fragmento de DNA

con su ARN mensajero maduro, que pone en evidencia los siete intrones.

15

C

ARN

Hebra ADN molde

Sentido de la reaccin?

ARN polimerasa

ACTIVIDAD 1

1. El siguiente esquema muestra etapas de la transcripcin del DNA.

Cul es el orden del proceso? Anote la letra que corresponda en la lnea de puntos.

1 2... 3 4

2. La figura representa el proceso de transcripcin.

Al respecto:

Cul es el sentido de la reaccin? Rellene la punta correcta de la flecha.

Las hebras del ADN son antiparalelas. Pinte la hebra que va de 3 a 5

Cul extremo de la doble hlice de ADN se va desenrollando el de su izquierda o el de su

derecha? Justifique

Anote en cada extremo del ARN, cul es el extremo 5 y cul extremo es el 3? Justifique su

respuesta.

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5. CDIGO GENTICO

El cdigo gentico es el diccionario usado para lograr la traduccin de la informacin gentica,

escrita en lenguaje nucleotdico de cuatro bases nitrogenadas, a un idioma aminoacdico

escrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminocidos que encontramos formando

parte de las protenas de un ser vivo, estn representados en el cdigo gentico de la agrupacin

de tres bases nucleotdicas (triplete o codn) de las cuatro existentes. Este cdigo fue descifrado

por Marshall, Nirenberg, Heinrich Matthaei, Robert Holley y Har Gobind Khorana, 10 aos

despus que James D. Watson y Francis Crick desentraaran el misterio de la estructura del

DNA.

Cada triplete constituye un codn; existen en total 64 codones; 61 de ellos codifican

aminocidos y 3 son codones de trmino para el cese de la traduccin. Tal cantidad deriva de una

relacin matemtica simple: los cuatro nucletidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que

pueden generarse 64 (43) combinaciones; en cambio la relacin de 41 o 42 nucletidos, no

permitir generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminocidos.

El cdigo gentico es universal, degenerado (redundante) y no traslapado.

17

6. TRADUCCIN O SNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTDICAS

La sntesis de las cadenas polipeptdicas es la segunda etapa observada en el dogma central, y es

el proceso por el cual la informacin lineal, escrita con cuatro letras (A, U, G, C), se traduce en

informacin tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminocidos). Si bien esta etapa es, en sus

fundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que sern

mencionadas a medida que se avance en el desarrollo del tema.

mRNA, el transportador de la informacin

El mRNA es la molcula responsable de transportar la informacin lineal, que debe traducirse a

informacin tridimensional (protenas). En bacterias, el mRNA es traducido, sin mayor

modificacin, aun cuando su sntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacterias

la transcripcin y traduccin son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (en

el citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripcin y traduccin se

hallan separados, espacial y temporalmente.

Los mRNA se sintetizan fundamentalmente en el ncleo de la clula eucarionte y se combinan con

diversas protenas, formando complejos ribonucleoproteicos heterogneos nucleares o hnRNP.

Ribosoma, la fbrica de protenas

Microscpicamente, la estructura sub-celular relacionada con la sntesis proteica es un corpsculo

denominado ribosoma (Figura 10). Esta estructura est formada por una sub-unidad menor y una

mayor.

La sub-unidad menor presenta el sitio de reconocimiento y unin al mRNA y la sub-unidad

mayor posee la enzima que efecta la unin peptdica (peptidil transferasa) y los sitios para los

tRNA, denominados: sitio P (por peptidil), sitio A (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida)

Figura 10.

Figura 10. Anatoma de un ribosoma.

Subunidad mayor

Subunidad menor

Subunidad mayor ribosomal

Sitio E

Sitio P Sitio

A

Sitio de unin del ARNm

P

Subunidad menor

del ribosoma

E P A

18

tRNA, el vehculo de los aminocidos

Los tRNA son las molculas adaptadoras que permiten traducir el cdigo de nucletidos a

aminocidos para la sntesis de protenas. Reconocen tripletes de nucletidos (codones) por un

extremo de su molcula (anticodn) y en el otro extremo (3) llevan un determinado

aminocido, que el ribosoma se encarga de unir covalentemente con otros aminocidos, siguiendo

en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA. Figura 11.

Figura 11. Codn y anticodn.

Aminoacil-tRNA sintetasa, una enzima clave

El aminocido se une a su correspondiente tRNA por la accin de una enzima llamada aminoacil-

tRNA sintetasa.

Cada aminocido se activa por su aminoacil-tRNA sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas

distintas ,una para cada aminocido.

Aminocido + ATP + tRNA Aminoacil + tRNA + AMP + PPi

Aminoacil + tRNA sintetasa

Algunos investigadores se refieren a esta reaccin como la carga del tRNA. La energa usada en

la carga del aminocido a su correspondiente tRNA, queda depositada en la unin qumica entre el

aminocido y el tRNA. Esta energa ser utilizada posteriormente por la actividad de la peptidil

transferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formacin del enlace peptdico.

Codn

3

Anticodn

Aminocido leucina

ARNm

5

19

Etapas de la sntesis de cadenas polipeptdicas

En trminos generales, se puede afirmar que la traduccin es similar en procariontes y

eucariontes, salvo algunas particularidades que los diferencian. En las secciones siguientes se

concentrar la explicacin en la maquinaria traductora de la bacteria Escherichia coli. En dichas

secciones, se mencionarn las diferencias con el sistema eucarionte.

A) Iniciacin

Es la unin de la subunidad menor a la regin del mRNA que contiene el codn de inicio AUG.

Posteriormente se une el tRNA iniciador cargado con el residuo N-formilmetionina. Por este

motivo, el primer aminocido incorporado durante la sntesis de muchas protenas bacterianas es

una metionina modificada, la N-formilmetionina (Figura 12).

El inicio es algo diferente en los eucariontes, donde el mRNA es reconocido por la subunidad

menor solo cuando sta ha unido previamente la molcula de tRNA iniciador cargado con el

residuo aminoacdico metionil, y algunos factores de iniciacin eucariticos.

Figura 12. Formacin del complejo de iniciacin.

20

B) Elongacin

El proceso de elongacin de la cadena polipeptdica sobre un ribosoma se puede considerar como

un ciclo de tres etapas (Figura 13):

1) El tRNA cargado que se introduce en el sitio A, vaco, quedar cerca de la N-fornilmetionil-

tfMetRNA, que est localizada en el sitio P.

2) Formacin del primer enlace peptdico cuando la N-formilmetionina del tRNA iniciador se une

al residuo aminoacdico unido al segundo tRNA ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplaza

tres nucletidos en direccin del extremo 3 del mRNA, quedando libre un nuevo sitio A.

3) Los procesos citados se repiten de forma sucesiva codn tras codn. Se calcula que se agregan

a la cadena, en promedio, cinco aminocidos por segundo, detenindose la incorporacin

cuando al sitio A llega alguno de los codones de trmino.

Figura 13. Elongacin de la cadena polipeptdica.

C) Terminacin

En esta etapa, el sitio A del ribosoma es abordado por alguno de los codones de trmino y

ocupado por un factor de terminacin, RF en las bacterias y eRF (eucaryotic releasing factor) en

eucariontes. La cadena polipeptdica terminada se libera del ltimo tRNA. Se disocian las sub-

unidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser

utilizados en una nueva sntesis (Figura 14).

Figura 14. Terminacin de la traduccin.

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Traduccin y Polirribosomas

Tanto en las clulas procariontes y eucariontes las molculas de mRNA se traducen por la

accin de mltiples ribosomas, las estructura resultante un mRNA con varios ribosomas -se

denomina polirribosma o polisoma. Cada ribosoma se une sucesivamente al sitio que une

ribosomas en el extremo 5 del mensajero y se mueve hacia el extremo 3; el polipptido

asociado con cada ribosoma progresivamente se torna ms largo a medida que el ribosoma

se mueve sobre el mRNA.

En las clulas procariontes la transcripcin y traduccin son simultneas; por tanto, pueden

unirse mltiples ribosomas al extremo 5 del mRNA, mientras que la transcripcin aun est en

proceso en el extremo 3.

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ACTIVIDAD 2

1. En un trabajo de investigacin microinyect RNA de secuencia 5 UUU UUU UUU 3 en

clulas bacterianas de Listeria monocytogenes y se form un polipptido con una secuencia

de un aminocido nico y en clulas de roble Chileno (Nothofagus oblicua) se form otro

polipptido tambin con una secuencia de aminocidos nica, pero totalmente diferente al

anterior. Qu propiedad del cdigo gentico podra ser cuestionada con este hipottico

resultado experimental?

.

.

2. En este ribosoma en plena traduccin se observan tres ARNt.

Al respecto, conteste:

a) Cul es el anticodn que posee y el aminocido que trae el ARNt que se est ubicando

en el sitio A?

b) Cul es el anticodn que posee y el aminocido que trajo el ARNt que est ubicado en

el sitio P?

c) Cul es el anticodn que posee y el aminocido que trajo el ARNt que est saliendo del

sitio E?

Ribosoma

ARNt

Anticodn

3 Codones 5

U U U U C G G G G

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7. MUTACIONES GNICAS O PUNTUALES

Las mutaciones en los organismos unicelulares se transmiten necesariamente a la descendencia.

En los organismos pluricelulares solo se transmite a la descendencia una mutacin si esta ocurre

en las clulas germinales, es decir, aquellas que darn lugar a gametos.

En las mutaciones gnicas se afecta la secuencia de pares de bases de un gen, estas mutaciones

pueden ser consecuencia de: sustituciones, adiciones o deleciones.

Sustituciones: se cambia una base por otra, segn sea el problema causado, se clasifican

como: neutras, con sentido errneo y sin sentido.

Neutras: al cambiar la base, cambia el triplete pero codifica el mismo aminocido

Con sentido errneo: al cambiar una base cambia el triplete y este codifica otro aminocido.

Sin sentido: aparece un triplete de trmino que pone fin a la sntesis de la protena por adelantado.

Tipo de Sustituciones

Mensaje original

ADN 3 TAC TCA AAC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

Sustitucin neutra

ADN 3 TAC TCA GAC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU CUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

Con sentido errneo

ADN 3 TAC TCA AGC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU UCG UGC UAU

Protena met ser ser cys tyr

Sin sentido

ADN 3 TAC TCA ATC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU UAG UGC UAU

Protena met ser Stop

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Delecin y Adicin de bases: En estos tipos de mutaciones puntuales se corre el marco de

lectura de los tripletes del ARNm, y aparecen protenas muy distintas .En la delecin se pierde

un par de bases del DNA indicndose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente a

la base de la hebra molde y en la adicin se incorpora un par de bases en el ADN, tambin

indicndose en el esquema con una flecha la base que se adicion en la hebra molde.

DELECIN Mensaje original

ADN 3 TAC TCA AAC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

ADN 3 TAC TCA AA

C

A CGA TA...

ARN 5 AUG AGU UUU GCU AU Protena met ser phe ala

ADICIN

Mensaje original

ADN 3 TAC TCA AC ACG ATA

ARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

ADN 3 TAC TCA AA CAC GAT ..A ARN 5 AUG AGU GUU GUG CUA.. U

Protena met ser val val leu

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GLOSARIO

Codn (triplete): Secuencia de tres nucletidos en el mRNA que codifica para un aminocido. Expresin gnica: Proceso por el cual la informacin codificada en los genes se convierte en las estructuras operacionales presentes en las clulas. Los genes expresados incluyen a aquellos que han sido transcritos a mRNA y luego traducidos a protenas y aquellos que han sido transcritos a RNA pero no traducidos a protenas (p.ej. tRNA y rRNA). Exn: Porcin de una molcula de DNA en eucariontes que codifica parte de un polipptido. Genes: Unidades hereditarias que conforman los cromosomas. Estos segmentos especficos de DNA controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases de DNA que usualmente codifican para una secuencia polipeptdica de aminocidos. Insercin: Tipo de mutacin en la cual se intercalan una o ms bases de DNA en una secuencia de bases de DNA preexistente. Esto produce un corrimiento del marco de lectura en el proceso de sntesis proteica dando, por lo general, como resultado una protena alterada. Intrn: La secuencia de bases de DNA en eucariontes que interrumpe la secuencia de un gen que codifica para una protena, esta secuencia se transcribe al mRNA pero en un proceso de "corte y empalme" se separa del mismo antes que el mRNA sea traducido a protena. Mutacin: El cambio de un gen de una forma allica a otra, cambio que resulta heredable. Modificacin hereditaria del material gentico espontnea o inducida. Mutgeno: Agente desencadenante de mutaciones. Polimerasa (DNA o RNA): Enzimas que catalizan la sntesis de cidos nucleicos en base a templados preexistentes, utilizando ribonucletidos para el RNA y desoxirribonucletidos para el DNA. Promotor: Sitio del DNA donde se unir la RNA polimerasa para iniciar la transcripcin. RNA (cido ribonucleico): cido nucleico formado por una cadena polinucleotdica. Su nucletido, consiste en una molcula del azcar ribosa, un grupo fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, uracilo, citosina y guanina. RNA mensajero: "Molde" para la sntesis proteica que es copiado de una de las hebras de DNA y que se traduce en los ribosomas en una secuencia proteica. Se abrevia mRNA. RNA polimerasa: Complejo enzimtico que cataliza la sntesis de RNA (transcripcin) utilizando como molde la cadena de una molcula de DNA. En eucariontes existen tres RNA polimerasas: la I sintetiza rRNA de gran tamao; la II es la que forma al mRNA; y la III se encarga de transcribir rRNA pequeos y tRNA. Secuencia de bases: el orden de las bases de los nucletidos en una molcula de DNA. Traduccin: La sntesis de una protena sobre un "molde" de mRNA, consiste en tres etapas: iniciacin, elongacin y terminacin. Transcripcin: sntesis de RNA.

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Revisin de preguntas oficiales PSU DEMRE con referencia curricular y

comentario

1. Si en una clula se inhibe la transcripcin y al cabo de unas horas, sus componentes

moleculares se comparan con los de una clula intacta, se constatar que la primera tendr

una menor cantidad de

I) ARNt.

II) ARNm.

III) Protenas.

A) Solo I

B) Solo II

C) Solo III

D) Solo II y III

E) I, II y III

FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR

Mdulo Electivo

Contenido: Flujo de la informacin gnica.

Eje temtico: Organizacin, Estructura y Actividad Celular.

Curso: 4 Ao Medio.

Clave: E

Habilidad intelectual medida: Aplicacin.

Dificultad: Alta; fue contestada correctamente slo por el 12% de los postulantes. Present una

omisin del 18%.

COMENTARIO:

Los resultados obtenidos en esta pregunta muestran un conocimiento parcial de los aspectos

fundamentales de un proceso biolgico central, como es el flujo de la informacin biolgica. Este

flujo es resumido en el dogma central de la biologa molecular, que hoy se expresa correctamente

como:

ADN ARN Protena

De acuerdo a este esquema, el postulante debe saber que la Transcripcin corresponde a la

sntesis enzimtica de un polinucletido de ARN utilizando como molde una hebra de ADN. En este

sentido todos los tipos de ARN (mensajero, transferencia, ribosomal y los pequeos, como los que

forman parte de la estructura de la partcula SRP o de la maquinaria de corte y empalme de

exones) son generados por Transcripcin y por lo tanto, estn codificados en genes. Luego el

ARNm, el ARNt y el ARNr participan en la Traduccin, que es el proceso en donde se determina el

orden de aminocidos de una protena, que es el principal fenotipo biolgico encargado de las

funciones vitales. Como se seala en el diagrama, la replicacin del ADN y la Transcripcin se

llevan a cabo gracias a protenas, lo mismo que el metabolismo de lpidos y glcidos, los que no

aparecen en el diagrama, no obstante ser componentes esenciales de la clula. De acuerdo a esto

la Traduccin es dependiente de la Transcripcin y, en un sentido temporal asincrnico, la

Transcripcin es dependiente de que se hayan expresado los genes encargados de producir la

Transcripcin. En resumen, para responder correctamente la pregunta, el postulante debe inferir

que un procedimiento que inhibe la Transcripcin traer como consecuencia no slo una

disminucin en la cantidad de los distintos tipos de ARN (se debe recordar que las molculas

tienen una vida media finita), sino que tambin redundar en la no aparicin de nuevas protenas.

Como era de esperar, el principal distractor result ser la alternativa B, que incluye el tipo de ARN

mencionado siempre como principal producto resultante de la Transcripcin.

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2. Considere las siguientes secuencias de oligonucletidos:

Secuencia 1: 5- ACGGCCTTCAAGTCAGG -3

Secuencia 2: 5- ACGGCCTTCAAGGGACT -3

Si la secuencia 1 de ADN mut a la secuencia 2 durante el ciclo de vida de una clula,

entonces, es correcto afirmar que el nuevo ADN ha sufrido una

A) duplicacin.

B) inversin.

C) traslocacin.

D) delecin.

E) insercin.

FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR

Mdulo electivo

Eje temtico: Organizacin, estructura y actividad celular.

Contenido: La relacin entre estructura y funcin de las protenas estructurales como

expresiones de la informacin gentica. Mutaciones, protenas y enfermedad.

Curso: 4 Ao Medio.

Clave: B.

Habilidad cognitiva: Anlisis, sntesis y evaluacin.

Dificultad: Alta.

COMENTARIO:

A pesar de que los diversos tipos de cambio que ocurren a nivel gentico son tratados a partir del

segundo ao de enseanza media y luego el tema se retorna en cuarto ao, desde el punto de

vista molecular, esta pregunta result ser de alta complejidad para los postulantes. Slo un 13%

contest correctamente y el porcentaje de omisin alcanz un 31,55% del total. Ello no, refleja

directamente un desconocimiento sobre este tema, sino ms bien conceptos mal adquiridos o

poco aplicados.

Esta pregunta fue contestada correctamente (clave B) por aquellos postulantes con ms alto

puntaje. El distractor C fue el que atrajo mayor cantidad de postulantes, y fue elegido por el

segundo grupo de ms alto puntaje, lo que denota una posible confusin de los distintos tipos de

cambios que pueden ocurrir a nivel gentico. El distractor D tuvo menor aceptacin dentro del

universo de postulantes, lo cual permite inferir que los postulantes supieron descartar un cambio

o mutacin que involucra una prdida de cierto segmento en una secuencia.

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3. Despus de agregar un compuesto C a un cultivo celular, se hicieron mediciones, en distintos

tiempos, de los niveles intracelulares de ADN (curva 1), ARN mensajero (curva 2) y protenas

(curva 3), como se muestra en el grfico:

De acuerdo con los resultados mostrados en la grfica, es posible inferir correctamente que el

compuesto C

A) favorece la transcripcin.

B) favorece la duplicacin del ADN.

C) inhibe la transcripcin.

D) inhibe la traduccin.

E) inhibe la sntesis del ADN.

FICHA DE REFERENCIA CURRICULAR

Mdulo: Electivo

rea / Eje temtico: Organizacin, estructura y actividad celular.

Nivel: IV Medio.

Contenido: Traduccin del mensaje de los genes mediante el flujo de la informacin gentica del

gen a la sntesis de protenas.

Habilidad cognitiva: Anlisis, sntesis y evaluacin.

Clave: D.

Dificultad: Alta.

COMENTARIO

Esta pregunta requiere, fundamentalmente, que los estudiantes sean capaces de analizar los

resultados de una situacin experimental a travs de un grfico, entender los resultados que ste

presenta, y a partir de ellos, ser capaces de llegar a algunas conclusiones. Por lo tanto, los

postulantes deben hacer uso de las habilidades cognitivas de mayor desarrollo, como son el

anlisis, sntesis y evaluacin de la informacin entregada.

Adems, para contestar correctamente, deben tambin conocer el significado de algunos

conceptos, como replicacin o duplicacin de ADN, transcripcin y traduccin.

El grfico muestra que el proceso de replicacin (curva 1) no es afectado por el compuesto C, por

lo tanto se descartan las opciones B) y E). Tampoco se altera la transcripcin (curva 2), por lo que

las opciones A) y C) son tambin incorrectas. La curva 3, sin embargo, muestra una cada

importante en los niveles de protenas. Ello significa que el compuesto C est interfiriendo el

proceso de traduccin, por lo que la opcin D) es correcta.

La pregunta result de alta dificultad, ya que slo el 13% de los postulantes respondi la clave.

El alto porcentaje de omisin con el cual result la pregunta, que alcanz el 63,5%, indica la falta

de manejo de los contenidos por parte de los postulantes, y a la vez, la carencia del desarrollo de

las habilidades cognitivas anteriormente mencionadas. DMCA-BM13

Unid

ades a

rbitra

rias

Tiempo 0

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2

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