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Las respuestas de la física, la química y los estudios de los microorganismos y diversas enfermedades dieron origen a lo que hoy se conoce como Biología Molecular. Las reacciones bioquímicas están controladas por enzimas. Las enzimas, están a menudo involucradas en cadenas de reacciones conocidas como vías . La pérdida de actividad de una enzima puede inactivar todo el ciclo. Archibald Garrod, en 1902, fue el primero en sugerir, la relación entre enfermedad y metabolismo a través de su estudio de la alcaptonuria, enfermedad en que el individuo elimina por la orina una gran cantidad de ácido homogentísico que le da un color oscuro característico ("alcapto"). El razonó que en los individuos sanos el ácido homogentísico se debía metabolizar a otros productos, razón por la cual no aparecía en orina. Sospechó la existencia de un bloqueo en la vía metabólica y propuso que esa condición era debido a "un error innato del metabolismo". También descubrió que la alcaptonuria se heredaba como un factor Mendeliano recesivo. George Beadle y Edward Tatum a los fines de los 30s y comienzos de los 40s encontraron la conexión sospechada por Garrod entre genes y metabolismo. Ellos usaron los rayos X para causar mutaciones en una cepa del hongo Neurospora. Esas mutaciones afectaban a un solo gen y a una sola enzima de vías metabólicas específicas. Beadle y Tatum propusieron la hipótesis "un gen una enzima" por la cual ganaron el premio Nobel en 1958. Dado que las reacciones químicas que ocurren en el cuerpo están mediadas por enzimas, y dado que las enzimas son proteínas, debía existir una relación entre genes y proteínas. George Beadle, en los 40s, propuso que la mutación en el color de los ojos de la mosca de la fruta Drosophila era causada por el cambio de una proteína en una vía biosintética. En 1941 Beadle y su colaborador Edward L. Tatum decidieron examinar, etapa por etapa, las reacciones químicas en una vía metabólica. Ellos usaron un hongo, la Neurospora crassa, como organismo experimental. Tiene como ventajas un ciclo de vida corto y el hecho de crecer fácilmente en laboratorio. Dado que es haploide en la mayor parte de su ciclo vital, las mutaciones se expresan inmediatamente. Los mapeos previos realizados a los cromosomas del organismo facilitaron su trabajo. La Neurospora puede desarrollarse en un medio mínimo, y su nutrición puede ser estudiada por su capacidad para metabolizar azúcares u otros productos, que los científicos pueden agregar o sacar de la mezcla utilizada para su crecimiento. También es capaz de sintetizar todos los aminoácidos que necesita para su crecimiento, por lo tanto las mutaciones en una vía biosintética pueden demostrase fácilmente. La mutaciones en Neurospora son inducidas por rayos-X y luego, las esporas mutadas se colocan en un medio enriquecido con todos los aminoácidos . Estos cultivo se los compara con medio en el que existe solo uno de los 20 aminoácidos. Si una espora no puede sintetizar un aminoácido, por ejemplo prolina (Pro) solo crecerá en el medio al cual se le haya agregado prolina. La biosíntesis de aminoácidos (los ladrillos que forman las proteínas) es un complejo proceso con muchas reacciones químicas mediadas por enzimas que si mutan, tornándose inactivas, detendrán la vía biosintética y por lo tanto el crecimiento. Beadle y Tatum propusieron la hipótesis "un gen una enzima" y, dado que un gen codifica para la producción de una proteína. "Un gen una enzima" ha sido modificado a "un gen un polipéptido" dado que muchas proteínas (como la hemoglobina) están formadas por mas de un polipéptido.
La imagen de arriba es una modificación de: http://www.whfreeman.com/life/update/. La estructura
de la hemoglobina
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Las células de los embriones en crecimiento contienen grandes cantidades de ARN. La mitad de la masa de la bacteria Escherichia coli en crecimiento esta formada por ribosomas. |
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En una célula infectada por un virus, el ARN se sintetiza antes del comienzo de la síntesis proteica. Algunos virus, por ejemplo el del Mosaico del Tabaco tienen solamente ARN. Si el ARN extraído de los virus se inyecta en una célula huésped, se sintetizan proteínas virales. Claramente el ARN está relacionado a la síntesis proteica. |
La información fluye (con la excepción de la transcripción reversa) del ADN al ARN por vía del proceso llamado transcripción, y luego a la proteína por el proceso de traducción.
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Transcripción es el proceso de fabricación ARN usando el ADN como molde. |
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Traducción es la construcción de una secuencia de aminoácidos (polipéptido) con la información proporcionada por la molécula de ARN. |
El esquema de este "dogma" ha sido encontrada repetidamente y se considera una regla general (salvo en los retrovirus).
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El Ácido RiboNucleico mensajero (ARNm) es el molde para la construcción de la proteína. |
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El Ácido RiboNucleico ribosómico (ARNr) se encuentra en el sitio donde se construye la proteína: el ribosoma. |
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El Ácido RiboNucleico de transferencia (ARNt) es el transportador que coloca el aminoácido apropiado en el sitio correspondiente. |
El ARN tiene el azúcar ribosa en vez de desoxirribosa. La base uracilo (U) reemplaza a la timina (T) en el ARN. El ARN tiene una sola hebra, si bien el ARNt puede formar una estructura de forma de trébol debido a la complementariedad de sus pares de bases.
La ARN polimerasa abre la parte del ADN a ser transcripta. Solo una de las hebras del ADN (la hebra codificante ) se transcribe. Los nucleótidos de ARN se encuentran disponibles en la región de la cromatina (este proceso solo ocurre en la interfase) y se unen en un proceso de síntesis similar al del ADN.
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Las imágenes anteriores son de: http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_23.html.
Fue el astrónomo George Gamow quien señaló que el código que representa a los aminoácidos debía consistir en grupos de al menos tres de las cuatro bases del ADN.
En efecto, los 20 aminoácidos están representados en el código
genético por la agrupación de tres letras (triplete) de las
cuatro existentes.
Si uno considera las
posibilidades de arreglo de cuatro letras agrupadas de a tres (43)
resulta que tenemos 64 posibilidades de palabras a codificar, o 64
posibles codones (secuencia de tres bases en el ARNm que codifica
para un aminoácido específico o una secuencia de control).
El código genético fue "roto" por Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei (del NIH), 10 años después que Watson y Crick "rompieran" el misterio de la estructura del ADN.
Nirenberg descubrió que el ARNm, independientemente del organismo de donde proviene, puede iniciar la síntesis proteica cuando se lo mezcla con el contenido del homogenado de Escherichia coli.
Adicionando poli-U (un ARNm sintético) a cada uno de 20 tubos de ensayo (cada uno de los cuales tenía un aminoácido diferente) Nirenberg y Matthaei determinaron que el codón UUU , el único posible en el poli-U, codificaba para el aminoácido fenilalanina.
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Imagenes modificadas de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Asimismo un ARNm
artificial compuesto por bases A y C alternando codifica
alternativamente para histidina y treonina. Gradualmente se fue confeccionando una lista completa del código genético.
El código genético
consiste en 61 codones para
aminoácidos y 3 codones de terminación, que detienen el proceso
de traducción. El código genético es por lo tanto redundante,
en el sentido que tiene varios codones para un mismo
aminoácido.
Por ejemplo, la glicina es codificada por los
codones GGU, GGC, GGA, y GGG. Si un codón muta
por ejemplo de GGU a CGC, se especifica el mismo aminoácido.
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| (**) Codifica además el aminoácidos Nro. 21: selenocisteína y el Nro. 22: la pirrolisina. Para la inserción de los mismos es necesario además la presencia de una secuencia de "inserción" ubicada luego del código de terminación | |
Animación de la inserción de aminoácidos |
Animación de la incorporación de selenocisteína |
La regulación de los genes de los
procariotas difiere de la de los eucariotas pero, la de los
procariotas es mucho mas fácil de estudiar y a ellos se refieren
gran partes de los estudios.
Los promotores son
secuencias de ADN que comienzan señales para la transcripción del ARN. Los terminadores
son señales de detención. La molécula de ARNm puede tener de
500 a 10.000 nucleótidos.
Los ribosomas son las
organelas de la célula donde se sintetizan la proteínas. Los
ribosomas están formados por una subunidad liviana (30S) y una pesada
(50S), el ARNr difiere en cada uno de ellos.
La
subunidad 30S tiene un ARNr 16S y 21 proteínas diferentes.
La
subunidad 50S consiste
en ARNr 23S y 5S y 34 proteínas diferentes.
| La subunidad liviana tiene el sitio para que se pegue el ARNm. Tiene un rol crucial en la decodificación del ARN pues monitorea el apareamiento de bases entre el codón del ARNm y el anticodón de ARNt. También trabaja con la subunidad 50S en el proceso denominado translocación (proceso por el cual el ARNt asociado al ARNm se mueve un codón) |
| La subunidad pesada tiene dos sitios para el ARNt. Cataliza la formación de la unión peptídica. |
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| El ARNt tiene forma de trébol y es el que lleva el aminoácido apropiado al ribosoma cuando el codón lo "llama". |
| En la parte terminal del brazo mas largo del ARNt se encuentran tres bases, el anticodón, que son complementarias con el codón. |
| Existen 61 ARNt diferentes, cada uno posee un sitio diferente para pegar el aminoácido y un anticodón diferente. Para el codón UUU, el codón anticomplementario es AAA. |
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La unión del aminoácido apropiado al ARNt esta controlado por una enzima: la aminoacil-ARNt sintetasa. |
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La energía para la unión del aminoácido al ARNt proviene de la conversión de ATP (adenosín-trifosfato) a AMP (adenosín-monofosfato). |
La traducción es el proceso de convertir las secuencias del ARNm en una secuencia de aminoácidos.
El código de iniciación es el AUG que codifica para el aminoácido metionina (Met). La traducción no ocurre si no está el codón AUG, por lo tanto la metionina (en realidad la formil-metionina, f-Met ) es siempre el primer aminoácido de la cadena polipeptídica, y frecuentemente se elimina al final del proceso.
El complejo formado por ARNt/ARNm/subunidad ribosómica pequeña es llamado "complejo de iniciación". La subunidad grande se pega al complejo de iniciación. Luego de esta fase el mensaje progresa durante la elongación de la cadena polipeptídica.
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Imágenes seleccionadas de ANIMACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTEICA |
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Un nuevo ARNt lleva otro aminoácido al sitio P vacío del complejo ribosoma /ARNm y posteriormente se forma un enlace peptídico con el aminoácido del sitio ocupado. |
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El complejo se mueve a lo largo del ARNm hasta el próximo triplete, liberando el sitio A. |
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El nuevo ARNt entra en el sitio A y se repite el proceso. Cuando el codón es un codón de terminación, un factor de liberación se pega al sitio, parando la traducción y liberando al complejo ribosómico del ARNm. |
A menudo muchos ribosomas leen el mismo mensaje y forman una estructura conocida como polisoma. De esta manera la célula puede rápidamente fabricar varias proteínas similares.
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La secuencia de los aminoácidos determina la interacción entre los mismos y por lo tanto define la manera en que la proteína recientemente formada se pliega y adopta su conformación en el espacio. Sin embargo muchas proteínas por sin solas no alcanzan su conformación nativa y requieren de complejos proteicos que la ayudan: las "chaperoninas".
Una mutación se definió como cualquier cambio en el ADN (y por lo tanto heredable). Hoy se puede refinar dicha definición: una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN (gen) que resulta en un cambio del aminoácido/s en el polipéptido que codifica dicho gen.
Los alelos son secuencias alternativas del gen que se encuentran en los cromosomas homólogos y por lo tanto, a nivel molecular el producto de los alelos puede ser idéntico o diferir, a menudo en un solo aminoácido, lo que puede tener un efecto significativo sobre el organismo sometido al cambio.
La adición o deleción de un nucleótido puede alterar la estructura del polipéptido.
Las mutaciones puntuales son el resultado del cambio en una sola base.
Mutaciones por cambio del marco de lectura, ocurren cuando se corre (por ejemplo por adición o deleción de una o mas bases) el orden de lectura.
Con excepción de la mitocondria (y esta excepción es discutible), todos los organismos usan el mismo código genético. Esto es una poderosa evidencia de un ascendiente común para todos los organismos vivos.
Traducción, redacción y diagramación a cargo de :
Dr. Jorge S. Raisman, Ing. Ana María Gonzalez, ana@unne.edu.ar
Basada en la traducción de: gened.emc.maricopa.edu/bio/bioBioBookPROTSYN.html
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ADN (ácido desoxirribonucleico) |
Un ácido nucleico compuesto de dos cadenas polinucleotídicas que se disponen alrededor de un eje central formando una doble hélice, capaz de autorreplicarse y codificar la síntesis de ARN.
Lugar donde esta "depositada" la información genética.
Ácido nucleico que funciona como soporte físico de la herencia en el 99% de las especies. La molécula, bicatenaria, esta formada por dos cadenas antiparalelas y complementarias entre sí. Su unidad básica, el nucleótido, consiste en una molécula del azúcar desoxirribosa, un grupo fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, timina, citosina y guanina. Fórmula
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ARN(ácido ribonucleico): Ácido nucleico formado por una cadena polinucleotídica. Su nucleótido, consiste en una molécula del azúcar ribosa, un grupo fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, uracilo, citosina y guanina. |
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ARN polimerasa: Complejo enzimático que cataliza la síntesis de RNA (transcripción) utilizando como molde la cadena de una molécula de DNA. |
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Alelo ( del griego allelon = el uno al otro, recíprocamente): Formas alternativas de un gen, se hereda separadamente de cada padre (p.ej. en el locus para el color de ojos puede haber un alelo para ojos azules o uno para ojos negros. Uno o más de los estados alternativos de un gen. |
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Aminoácidos (del griego Ammon = dios egipcio cerca de cuyo templo se prepararon por primera vez las sales de amonio a partir de estiércol de camello): Las subunidades (monómeros) que forman las proteínas (polímeros). Cada aminoácido posee por lo menos un grupo funcional amino ( básico) y un grupo funcional carboxilo (ácido) y difiere de otros aminoácidos por la composición de su grupo R. |
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Anemia drepanocítica: enfermedad peculiar de la raza negra, conocida en África desde hace centurias. Produce, entre otros síntomas: anemia, dolores reumáticos y de abdomen. En 1919 James Herrick notó la forma anormal de los glóbulos rojos en los individuos afectados ( semilunares, en la hipoxia ). Dado que la enfermedad aparecía en determinadas familias, el estudio del árbol genealógico llevó, en 1941 , a explicarla como el resultado de la homocigocidad a un alelo mutante. En 1951, usando datos familiares complementarios se confirmó la hipótesis de que la enfermedad se heredaba como un factor Mendeliano. |
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Por la misma época, Linus Pauling y sus colaboradores demostraron que la hemoglobina presente en los glóbulos rojos de los enfermos de anemia falciforme era cualitativamente diferente de la encontrada en los glóbulos rojos normales. Ellos mostraron que las dos diferentes proteínas podían distinguirse por su movilidad electroforetica. También demostraron que los glóbulos rojos de individuos heterocigotas para la anemia falciforme, contenían ambos tipos de hemoglobina. Existía por lo tanto, una directa correspondencia entre el genotipo del individuo y las proteínas que se producen. Vernon Ingram, en trabajos publicados en 1957 y 1959 demostró que las diferencias entre la hemoglobina de la anemia falciforme (HbS) y la hemoglobina normal del adulto (HbA) era observable a nivel de los péptidos resultantes de la digestión con tripsina de la hemoglobina. Un análisis cuidadoso de los péptidos mostró que la diferencia en las moléculas residía en un solo aminoácido a nivel de la posición 6 de la cadena de beta-globina. Este fue el primer ejemplo, identificado precisamente de una variante genéticamente determinada de una proteína. |
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Anticodón: Secuencia de tres nucleótidos en el RNA de transferencia que se emparejan de forma complementaria con un codón específico del RNA mensajero durante la síntesis proteica para colocar un aminoácido concreto en la cadena polipeptídica |
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Arqueobacterias (del griego arkhaios = antiguo; bakterion = bastón): grupo de procariotas de unos 3.500 millones de años de antigüedad, presentan una serie de características diferenciales que hicieron que Carl Woese, profesor de la Universidad de Illinois, Urbana, U.S.A. , carl@ninja.life.uiuc.edu , proponga su separación del reino Moneras y la creación de uno nuevo: Archea, propuesta que hoy es cada vez mas aceptada |
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Enzima (del griego en = en; zyme = levadura): Molécula de proteína que actúa como catalizador en las reacciones bioquímicas. |
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Eucariotas (del griego eu = bueno, verdadero; karyon = núcleo, nuez): organismos caracterizados por poseer células con un núcleo verdadero rodeado por membrana. El registro arqueológico muestra su presencia en rocas de aproximadamente 1.200 a 1.500 millones de años de antigüedad |
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Catalizador(del griego katalysis = disolución): Sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química, acelerando la velocidad de la reacción. |
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Código Genético: Correspondencia entre los posibles tripletes de DNA (o RNA) y los aminoácidos que codifican. |
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Codón: Triplete de bases de la molécula de DNA (o RNAm) que codifica para un aminoácido específico en la cadena polipeptídica durante la síntesis de proteínas. |
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Cromatina: Material formado por ácidos nucleicos y proteínas que se observa en el núcleo de la célula en interfase |
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Cloroplasto (del griego khloros = verde claro, verde amarillento; plastos = formado): Organela de la célula algas y plantas que posee el pigmento clorofila y es el sitio de la fotosíntesis. |
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Cromosoma (del griego chroma = color; soma = cuerpo): Estructuras del núcleo de la célula eucariota que consiste en moléculas de ADN (que contienen los genes) y proteínas (principalmente histonas). |
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Chaperonina (del francés chape = persona mayor que acompañaba a una señorita y vigilaba que su comportamiento fuere el adecuado): Término propuesto por S. Hemmingsen en 1986 para designar a las proteínas que ayudan a otras a plegarse de la manera adecuada para cumplir su función. Resulta interesante señalar que la simetría y composición de las chaperoninas de eubacterias y de orgánulos eucariotas son similares (tetradecámeros) y difieren de las de arqueobacterias y del citoplasma eucariota (exa u octadecámeros). Bibliografía |
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Dogma ( del griego dogma = decisión, decreto; derivada del verbo dokei= parece, es decisión de..): 1) definición de las verdades reveladas y propuestas por la autoridad suprema de la Iglesia Católica. 2) Fundamentos, puntos capitales de todo sistema. |
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Energía de activación: La menor cantidad de energía requerida para que ocurra una determinada reacción química. Varía de reacción en reacción. |
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Error congénito del metabolismo: Concepto introducido por Garrod en 1902, para referirse a las enfermedades genéticas en las que un déficit enzimático heredado bloquea una vía metabólica causando una patología. |
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Expresión: En genética, proceso por el cual la información codificada en los genes se convierte en estructuras operacionales presentes en la célula. |
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Fenotipo (del griego phaineim = mostrar, typos = imprimir, estampar): Características observables de un individuo. La expresión de la composición alélica para un determinado carácter bajo estudio (Lo que se ve). |
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Genes (del griego genos = nacimiento, raza; del latín genus = raza, origen): segmentos específicos de ADN que controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases de ADN que usualmente codifican para una secuencia polipeptídica de aminoácidos. |
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Haploide (del griego haploos = simple, ploion = nave): Célula que contiene solo un miembro de cada cromosoma homólogo (número haploide = n). En la fecundación, dos gametos haploides se fusionan para formar una sola célula con un número diploide ( por oposición, 2n) de cromosomas. |
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Hemoglobina El pigmento rojo de los glóbulos "rojos" de la sangre. Principal responsable, por su capacidad de pegarse al oxígeno, del transporte del mismo . La hemoglobina esta formada por cuatro cadenas polipeptídicas, dos alfa (a) y dos beta. (b) |
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Interfase: Período del ciclo celular comprendido entre dos divisiones sucesivas. |
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Metabolismo (del griego metabole = cambio): El conjunto de reacciones químicas que se producen en las células vivas |
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Mitocondria (del griego mitos = hilo, hebra; chondros = grano, terrón, cartílago): La usina celular. Organelas autorreplicantes, que se encuentran en el citoplasma de la célula eucariota rodeadas por membrana, completan el proceso de consumo de la glucosa generando (por quimiósmosis) la mayor parte del ATP que necesita la célula para sus funciones. |
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Monómero (del griego monos = uno, solo; meros = parte): Molécula que constituye la unidad que se repite en un polímero. |
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Mutación (del latín mutare = cambiar): El cambio de un gen de una forma alélica a otra, cambio que resulta heredable. |
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Nutrición (del latín nutritio: acción y efecto de nutrir): Nutrir: del latín nutrire aumentar la sustancia viva del organismo |
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Polímero (del griego polys = muchos, meros = parte): Molécula compuesta por muchas subunidades idénticas o similares. |
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Polipéptido: Polímero formado por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. |
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Procariotas (del latín pro = antes, del griego karyon = núcleo, nuez): Tipo de célula que carece de núcleo rodeado por membrana, posee un solo cromosoma circular y ribosomas que sedimentan a 70 S (los de los eucariotas lo hacen a 80S). Carecen de organelas rodeadas por membranas. Se consideran las primeras formas de vida sobre la Tierra, existen evidencias que indican que ya existían hace unos 3.500.000.000 años |
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Proteínas: (del griego proteios = primario, del griego Proteo, dios mitológico que adoptaba numerosas formas). Polímeros constituidos por aminoácidos que intervienen en numerosas funciones celulares. Una de las clases de macromoléculas orgánicas que tienen funciones estructurales y de control en los sistemas vivientes. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones peptídicas. |
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Recesivo: Término que se aplica a un carácter (alelo) que solo se expresa cuando el segundo carácter (alelo) es igual. |
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Retrovirus (del latín retro = girar hacia atrás): Virus que contienen una sola hebra de ARN como material genético, se reproducen copiando el ARN en ADN complementario usando la transcriptasa reversa. La hebra de ADN es luego copiada y, el ADN bicatenario, es insertado en el ADN de la célula huésped. |
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Ribosomas: Pequeñas organelas, compuestas de ARNr (r por ribosómico) y proteínas. Están presentes en el citoplasma de procariotas (70s) y eucariotas (80s). Son el sitio de la síntesis proteica. Esta compuesto de dos subunidades. Los ribosomas de las organelas eucariotas (mitocondrias y cloroplastos) tienen 70 S, es decir son similares a los de los procariotas. |
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Traducción: Proceso por el que se sintetiza un polipéptido tomando un RNA mensajero como molde. Se lleva a cabo en los ribosomas. |
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Transcriptasa reversa: Enzima utilizada para su replicación por los retrovirus; copia el ARN del retrovirus en una hebra complementaria de ADN. DNA-polimerasa RNA-dependiente, es decir, complejo enzimático que sintetiza una molécula de DNA tomando un RNA como molde. |
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Virus (del latín virus = veneno): Agente infeccioso de naturaleza obligatoriamente intracelular para sintetizar su material genético, ultramicroscópico y ultrafiltrable. Constan de un ácido nucleico (ADN o ARN) y un recubrimiento proteico. Entidad no celular, de muy pequeño tamaño. En estado extracelular son inertes |
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