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CURSO: BIOLOGA MENCINMATERIALBM N 12

UNIDAD I: V ARIABILIDAD, HERENCIA Y EVOLUCINEXPRESIN GNICA

INTRODUCCIN

La expresin gnica es el proceso mediante el cual la informacin almacenada en el DNA esusada 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 queterminar manifestndose como un rasgo fenotpico adquirido por la clula en la que estainformacin gentica se expresa.

Sin embargo, el momento en que esta informacin gentica es expresada, se encuentra altamenteregulada por diversos factores (entre ellos, estmulos ambientales, la accin reguladora deciertas hormonas, el grado de condensacin de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, entodo momento, la produccin adecuada de protenas, para cuando ellas sean requeridas por elmetabolismo celular.

Durante el proceso de diferenciacin celular , la expresin gnica se regula de modo que ciertosgenes se " encienden " y otros se " apagan ", permitiendo a las clulas modificar su contenidoproteico y, por lo tanto, su propio fenotipo , que es el requisito necesario para transformar untipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a unindividuo.

Las mutaciones pueden alterar la informacin almacenada en los genes, originando a partir deun gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos ). Estos genes alelos son losresponsables de las variaciones fenotpicas ( diversidad biolgica ) que manifiestan laspoblaciones de seres vivos, sobre las que acta el proceso de seleccin natural durante laevolucin de los seres vivos.

1. LOS EXPERIMENTOS QUE DEMOSTRARON QUE EL DNA ES ELMATERIAL GENTICO

Hacia 1887 los investigadores haban llegado a la conclusin de que la base fsica de la herenciase hallaba en el ncleo. Se demostr que la cromatina consista en cidos nucleicos y protenas

pero no se saba con certeza cual de las dos sustancias era el material gentico.Mientras los qumicos procuraban resolver la estructura del DNA, los bilogos trataban deidentificar la fuente de informacin gentica. Se llevaron a cabo experimentos con bacterias ycon virus , que proporcionaron la evidencia fundamental de que el material gentico no era laprotena sino el DNA.

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Descubrimiento del principio de transformacin

En 1928, F. Griffith observ que la bacteria Streptococcus pneumoniae , productora de laneumona humana, se presentaba en dos cepas distintas. Una de ellas es virulenta (provoca laenfermedad), presenta capsula y forma colonias con aspecto liso; denominada cepa IIIS y a laotra variante de neumococo, que no presenta cpsula, no produce la enfermedad y forma coloniasrugosas se denomin cepa IIR. Con estas dos cepas Griffith realizo el siguiente experimento

(Figura 1).

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 sehaban transformado de algn modo y haban adquirido la virulencia gentica de las bacteriasmuertas de tipo IIIS . Esta transformacin produjo un cambio gentico permanente en lasbacterias, sin embargo Griffith no comprendi la naturaleza de la transformacin y supuso quealguna sustancia de la cubierta de polisacridos de las bacterias muertas podra explicar elcambio. A esta sustancia la denomin principio de transformacin .

Pregunta: un extracto de bacterias muertasuede transformar enticamente clulas vivas?

Experimento

Conclusin: una sustancia presente en las bacterias virulentas muertas poraccin del calor transform genticamente las bacterias de tipo IIR enbacterias de tipo IIIS virulentas vivas,

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Pregunta: cul es la naturaleza qumica de lasustancia de transformacin?

Experimento

Conclusin: dado que solo la DNasa destruyla sustancia de transformacin, la sustanciaresponsable de la transformacin es el DNA.

Identificacin del principio de transformacin

Posteriormente y tras diez aos de investigacinAvery junto con MacLeod y MacCArty pudieron aislary purificar esta sustancia. Demostraron que sucomposicin qumica corresponda al DNA ydiferente de las protenas.

Sometieron a la sustancia a la accin dediversas enzimas, como la tripsina y laquimiotripsina, las cuales actan en ladegradacin de las protenas, pero no tenanningn efecto sobre esta sustancia. Lomismo suceda con la ribonucleasa; enzimaque destruye al RNA. Sin embargo lasenzimas capaces de destruir el DNAeliminaron la actividad biolgica de lasustancia de transformacin. (Figura 2).

Adems los cientficos demostraron que lasustancia de transformacin purificada seprecipitaba con la misma velocidad que elDNA purificado y absorba la luz ultravioletaen la misma longitud de onda que el DNA.Estos resultados publicados en 1944, fueronla primera evidencia convincente que elprincipio transformante y por ende lainformacin gentica esta en el DNA.

Pese a que esta prueba demostraba que elDNA era el principio transformante, muchosbilogos se resistan en aceptar esta idea ypreferan la hiptesis de que el materialgentico es la protena.

Figura 2. Experimentos de Avery, MacLeod yMacCArty para la identificacin del principiode transformacin.

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Segunda evidencia: Experimento con virus de Hershey - Chase

Frente a la resistencia de muchosbilogos, en 1952 Alfred Hershey yMartha Chase proporcionaron unasegunda evidencia de que el DNA es elmaterial gentico.

Estos cientficos realizaron un trabajoexperimental con el virus T2, unbacterifago que infecta a la bacteriaEscherichia coli, el cual se reproduceunindose a la pared externa de labacteria, inyectando su DNA dentro deella donde se replica y dirige la sntesisde las protenas propias del fago. ElDNA del fago se encapsula dentro delas protenas y produce los fagos, quelisan o rompen la clula y liberando losfagos de la progenie.

En ese momento los bilogos nocomprendan con exactitud como sereproducan los fagos. Si saban que losfagos T2 se componan de un 50 % deprotenas y de un 50 % de cidosnucleicos y que los fagos ingresaban alas bacterias y se reproducan. Como laprogenie portaba los mismos rasgos deinfeccin, el material gentico de estedeba transmitirse a la descendencia,pero se desconoca el mecanismo.

Hershey y Chase idearon una serie de

experimentos para determinar que setransmite durante la reproduccin delfago: la protena o el DNA .

Para rastrear el destino de lasmolculas en la reproduccin viral,utilizaron formas radioactivas (istopos)del fsforo y azufre. Un istoporadioactivo puede utilizarse comomarcador para identificar la ubicacinde una molcula especifica, porquecualquier molcula que contenga elistopo es radioactiva y, por ende, fcil

de detectar. El DNA contiene fsforo,pero no azufre, por lo tanto se utilizo32 P para marcar el DNA, en cambio laprotena tiene azufre, pero no fsforo,por lo que se utilizo 35S .El desarrollodel trabajo experimental de Hershey yChase se presentan en la figura 4.

Figura 3 .Reproduccin del bacterifago T2 .

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Figura 4. 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 entico de los bacterifa os no es la rotena sino el DNA.

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Este trabajo les permiti a los cientficos concluir que es el DNA y no la protena la que entra en labacteria durante la reproduccin del fago y que solo el DNA se transmite a los fagos de laprogenie.No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cmo un compuesto tan simple podaalmacenar y transmitir tanta informacin. La respuesta la proporcion el progresivo conocimientode su estructura. Desde que, en 1953, J. Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructurade doble hlice, que explicaba cmo se poda almacenar y transmitir la informacin gentica,nadie dud de la funcin y la importancia del DNA.

2. CONCEPTO DE GEN

En la actualidad se cuenta con nuevos elementos que permiten precisar algunas definiciones, locual no significa que estos conceptos sean nicos y definitivos, ni que estas concepciones sean lasnicas imperantes.

Los genes tienen diferente longitud y no estn ubicados en forma equidistante. Cada gen es unaporcin de una molcula de DNA y no tiene extremos fsicos. Los extremos estn dados porcambios en la calidad de la informacin, los genes no son contiguos, sino que estn separados porregiones no codificantes de DNA. Algunos estn agrupados y otros aislados en diferentes regionesdel cromosoma.

Una de las posibles definiciones de gen corresponde a todo segmento de DNA que seencuentra luego de un promotor y que puede ser transcrito por una RNA polimerasa yoriginar un RNA funcional (mRNA, rRNA, tRNA, snRNA, ribozima y otros tipos de RNA ).

Como se observa, muchos genes codifican RNA que nunca se traducen en protenas, como lostRNA, los rRNA y los RNA que forman parte de los snRNP. As, las definiciones clsicas no seajustan a los conocimientos actuales.

Los nuevos procedimientos y modelos de la biologa molecular nos llevan a revisarconstantemente 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 cienciaque se construye por medio de un proceso de cuestionamiento permanente, formulandomodelos que siempre sern perfectibles . A su vez, es importante considerar que la biologamolecular brinda un nivel de aproximacin de los fenmenos biolgicos, pero que existen otrosniveles 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 para la produccin regulada de enzimas yprotenas estructurales permiten controlar las reacciones bioqumicas y la forma de losorganismos.

El material gentico se manifiesta dando forma y funcin a las protenas, y debe replicarse con lasuficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempopermitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato para la evolucin.

El DNA es la macromolcula portadora de los genes. Un gen se define como el factor genticoque contribuye a determinar una caracterstica, las secuencias de ADN que codifica unamolcula de ARN o la secuencia completa del DNA requerida para transcribir y codificar unamolcula de RNA.

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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 conreferencia a una sola caracterstica o a un conjunto de caractersticas; la suma total de todoslos genes de un individuo.

Fenotipo: corresponde a las caractersticas observables de un organismo que resulta de lasinteracciones entre el genotipo y el ambiente.

La relacin de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en la siguiente secuenciade conceptos:

El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez est determinadopor el fenotipo de sus clulas componentes.El fenotipo de una clula est determinado por su qumica interna, que es controlada por lasenzimas que catalizan sus reacciones metablicas.La funcin de una enzima depende de su estructura tridimensional especfica, adems dependede su secuencia lineal especfica de aminocidos.Las enzimas y las protenas estructurales, presentes en una clula, estn determinadas por elgenotipo de la clula.Los genes especifican la secuencia lineal de aminocidos en las protenas y por lo tanto losgenes 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 alas protenas en una nica direccin.

DNA transcripcin RNA traduccin Protenas

As, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composicin de las protenas. F. Crick fuecriticado por utilizar el trmino dogma ya que un dogma es algo que no se pone en duda. Elcientfico reconoci ms tarde que debi llamarlo hiptesis central.

Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unaspocas excepciones. La principal excepcin corresponde a la transcripcin inversa , en la cual lainformacin codificada por ciertos virus que contienen RNA se transcribe al DNA por la accin de laenzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hiptesis central hoy se presenta as.

DNA transcripcin

(transcriptasainversa)

RNA traduccin Protenasreplicacin

El genoma humano es la totalidad de la informacin del Homo sapiens, es decir, lasecuencia de ADN contenida en 23 pares de cromosomas en el ncleo decada clula humana diploide y la secuencia del ADN mitocondrial.

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5

3

DNA

RNA polimerasa

cadena de DNA transcrita

5 RNA transcrito

Regin promotora

3

5

5 3 5

Reenrollamientodel DNA

cadena de DNA no transcrita

Desenrollamientodel DNA

3

Sentido de la transcripcin

DNA

3 3

5

3 5

TRANSCRIPCIN O SNTESIS DEL RNA

La transcripcin consiste en la sntesis de una molcula de RNA a partir de una de las cadenas delDNA; esta cadena se denomina complementaria, molde, no-codificadora o templado ; la otrahebra del DNA se denomina no complementaria o codificadora (Figura 5).

Figura 5 . Representacin del proceso de transcripcin . Observe que la direccin de la trascripcin siemprees 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 RN A que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra moldeo templada de DNA puede terminar como: RNA mensajero, RNA de transferencia y/o RNAribosomal; estos dos ltimos no llevan informacin gentica para la sntesis de una protena,pero son imprescindibles en el proceso .

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

La sntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de RNA que se formaes complementaria a un fragmento de una de las cadenas de DNA. En la cadena de RNAno aparecer la base timina que ser sustituida por uracilo .

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

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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.

D) 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 deDNA, llamada promotor . En el promotor se encuentran dos cortas secuencias situadas entre -35y -10 nucletidos del inicio (0) de la transcripcin. La misin de las secuencias promotoras esindicar dnde se inicia la transcripcin, en cul de las dos hebras del DNA y en qu lugar (Figura6).

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 lasdos cadenas expuestas del DNA acta como patrn para el apareamiento de las basescomplementarias y se inicia la formacin de una cadena de RNA. De esta forma, la cadena deRNA va creciendo nucletido a nucletido en direccin 5 a 3 (Figura 7). El proceso de elongacinde la cadena contina hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del DNA, laseal de terminacin.

Inicio de la transcripcin

-35 0TTGACA TATATT

DNA-10

Durante la elongacin de la cadena de RNA, la polimerizacin alcanza una velocidadde 30 nucletidos por segundo a 37 C. Por consiguiente, una cadena de RNA de5.000 nucletidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.

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Figura 7. Sntesis de una molcula de mRNA.

C) TerminacinExisten diversas seales de terminacin en el DNA molde que son secuencias que desencadenanla 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 aser traducido, por lo tanto no necesita de maduracin, habitualmente son policistrnicos . LosRNA 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 deRNA y es distinta a las observadas en eucariontes.

En eucariontes cada gen eucariota se transcribe separadamente (monocistrnico) , con uncontrol transcripcional independiente para cada uno. Las clulas eucariontes poseen tres tiposdistintos de RNA polimerasas cada una de los cuales es responsanble de la transcripcin de losdiferentes tipos de RNA: La RNA polimerasa I transcribe el rRNA (RNA ribosomal) la RNApolimerasa II el pre mRNA y algunos snRNAy la polimerasa III el tRNA.

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Los distintos RNA transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones noencontradas en procariontes . A medida que transcurre la transcripcin, las molculas de mRNA,llamadas transcritos primarios , son modificadas. Esto ocurre antes de que sean transportadasal citoplasma, que es el sitio donde ocurre la traduccin. Las modificaciones son varias e incluyen:

1. Adicin del CAP : Un nucletido modificado (CAP) se aade al extremo 5 del mensajero.Este casquete es imprescindible para la unin del mRNA al ribosoma y protege al mRNA dela degradacin.

2. Poliadenilacin : En el extremo 3 del mRNA hay una secuencia seal (AAUAAA) a la que seunen factores especficos y la enzima poli-A polimerasa. Esta enzima estimula la escisin enun sitio ubicado 10 a 35 nucletidos hacia el extremo 3 de la seal. Luego, la enzimaagrega, de a uno, una cola de ribonucletidos de adenina (cola de poli-A) y as se genera elextremo 3 del mRNA maduro. Esta cola de poli-A, contiene 200-250 nucletidos y pareceraque influyen en la estabilidad y en la capacidad de que los mRNA sean traducidos en elcitoplasma.

3. Corte y empalme o splicing: Durante la transcripcin, el mRNA sufre un proceso de cortey eliminacin de secuencias que no llevan informacin llamadas intrones, y elposterior empalme de los exones ; secuencias que si llevan informacin, los . En un primerpaso se unen al mRNA inmaduro unas pequeas partculas de RNA nucleares asociadas conprotenas denominadas snRNP (del ingls, small nuclear ribonucleo-protein particles). LassnRNP se unen a secuencias cortas ubicadas entre los intrones y los exones. Luego seaaden 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 acabo funciones catalticas.

Figura 8. Procesamiento del mRNA en eucariontes.

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El proceso de splicing, catalizado por spliceosomas , ocurre slo en organismos eucariotas. Lassecuencias que se eliminan son los intrones, mientras que las secuencias que permanecen yforman parte del mRNA maduro son los exones.

En muchos casos, un mismotranscrito primario o pre mRNA

(RNA heteronuclear) puede serprocesado por splicing en ms deuna forma. Este empalmealternativo permite obtenermolculas de mRNA madurodiferentes a partir de molculasde mRNA inmaduro originalmenteidnticas, lo cual da por resultadopolipptidos con distintasfunciones; un mismo gen puedeproducir una protena en untejido y otra distinta en otrotejido.

Esto es posible porque algunosgenes producen molculas depre-mRNA que tienen mltiplespatrones de empalme. Se haobservado que estos pre-mRNApresentan un segmento quepuede ser Intrn o Exn . Esteprocesamiento diferencial del RNAnuclear permite, a las clulas decada tejido, producir su propiaversin de mRNA correspondienteal gen especfico (Figura 9).

Figura 9. Procesamiento diferencial del RNA mensajero.

El investigador Thonas R. Cech y sus colaboradores, en los Estados Unidos, estudiando el splicingdel rRNA en un ciliado de agua dulce llamado Tetrahymena, encontraron que en estos organismosunicelulares eucariontes el propio intrn del rRNA inmaduro acta como catalizador de la escisiny el empalme, es decir, se produce un empalme autocataltico. Esta secuencia de RNA se pliegaformando una estructura compleja que funciona como enzima, que se ha denominado ribozima.Se han encontrado otros ejemplos de empalme autocataltico en varios organismos, en RNAcodificados por genes mitocondriales o de cloroplastos, en algunos genes nucleares de eucariontesunicelulares 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 eintrones , situacin no observada en procariontes. El nmero de intrones vara para cada gen, sinembargo, su nmero aumenta a medida que el organismo es ms complejo y de recienteevolucin. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinacin gentica (va crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolucin (de cambio).

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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 aminoacdicoescrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminocidos que encontramos formandoparte de las protenas de un ser vivo, estn representados en el cdigo gentico de la agrupacinde 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 aosdespus que James D. Watson y Francis Crick desentraaran el misterio de la estructura delDNA.

Cada triplete constituye un codn; existen en total 64 codones ; 61 de ellos codificanaminocidos y 3 son codones de trmino para el cese de la traduccin. Tal cantidad deriva de unarelacin matemtica simple: los cuatro nucletidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo quepueden generarse 64 (4 3) combinaciones; en cambio la relacin de 4 1 o 42 nucletidos, nopermitir generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminocidos.

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

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6. TRADUCCIN O SNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTDICAS

La sntesis de las cadenas polipeptdicas es la segunda etapa observada en el dogma central, y esel proceso por el cual la informacin lineal, escrita con cuatro letras ( A, U, G, C), se traduce eninformacin tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminocidos). Si bien esta etapa es, en susfundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que sernmencionadas 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 ainformacin tridimensional (protenas). En bacterias , el mRNA es traducido, sin mayormodificacin, an cuando su sntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacteriasla transcripcin y traduccin son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (enel citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripcin y traduccin sehallan separados, espacial y temporalmente.

Los mRNA se sintetizan fundamentalmente en el ncleo de la clula eucarionte y se combinan condiversas 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 corpsculodenominado ribosoma (Figura 10). Esta estructura est formada por una sub-unidad menor y unamayor.

La sub-unidad menor presenta el sitio de reconocimiento y unin al mRNA y la sub-unidadmayor posee la enzima que efecta la unin peptdica (peptidil transferasa) y los sitios para lostRNA, denominados: sitio P (por peptidil), sitio A (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida).

Figura 10. Anatoma de un ribosoma.

Subunidadmayor

Subunidadmenor

Subunidad mayorribosomal

SitioE

SitioP Sitio

A

Sitio de unindel ARNm

Subunidad menordel ribosoma

E P A

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tRNA, el vehculo de los aminocidos

Los tRNA son las molculas adaptadoras que permiten traducir el cdigo de nucletidos aaminocidos para la sntesis de protenas. Reconocen tripletes de nucletidos ( codones ) por unextremo de su molcula (anticodn) y en el otro extremo (3) llevan un determinadoaminocido, que la maquinaria traduccional (el ribosoma) se encarga de unir covalentemente conotros aminocidos, siguiendo en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA.

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 enzimasdistintas 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 enla carga del aminocido a su correspondiente tRNA, queda depositada en la unin qumica entre elaminocido y el tRNA. Esta energa ser utilizada posteriormente por la actividad de la peptidiltransferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formacin del enlace peptdico.

Codn

Anticodn

Aminoc ido leuc ina

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Etapas de la sntesis de cadenas polipeptdicas.

En trminos generales, se puede afirmar que la traduccin es similar en procariontes yeucariontes, salvo algunas particularidades que los diferencian. En las secciones siguientes seconcentrar la explicacin en la maquinaria traductora de la bacteria Escherichia coli. En dichassecciones, 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 estemotivo, el primer aminocido incorporado durante la sntesis de muchas protenas bacterianas esuna metionina modificada, la N-formilmetionina (Figura 12).

El inicio es algo diferente en los eucariontes, donde el mRNA es reconocido por la subunidadmenor slo cuando sta ha unido previamente la molcula de tRNA iniciador cargado con elresiduo aminoacdico metionil , y algunos factores de iniciacin eucariticos.

Figura 12. Formacin del complejo de iniciacin.

B) Elongacin.

El proceso de elongacin de la cadena polipeptdica sobre un ribosoma se puede considerar comoun 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 uneal residuo aminoacdico unido al segundo tRNA ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplazatres 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 agregana la cadena, en promedio, cinco aminocidos por segundo, detenindose la incorporacincuando al sitio A llega a alguno de los codones de trmino.

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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 yocupado por un factor de terminacin, RF en las bacterias y eRF (eucaryotic releasing factor) eneucariontes. La cadena polipeptdica terminada se libera del ltimo tRNA. Se disocian las sub-unidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para serutilizados 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 laaccin de mltiples ribosomas, las estructura resultante un mRNA con varios ribosomas -sedenomina polirribosa o polisoma.Cada ribosoma se une sucesivamente al sitio que uneribosomas en el extremo 5 del mensajero y se mueve hacia el extremo 3; el polipptidoasociado con cada ribosoma progresivamente se torna mas largo a medida que el ribosomase mueve sobre el mRNA.

En las clulas procariontes la transcripcin y traduccin son simultneas; por tanto, puedenunirse mltiples ribosomas al extremo 5 del mRNA, mientras que la transcripcin aun esta enproceso en el extremo 3.

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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 slo se transmite a la descendencia una mutacin si esta ocurreen 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 mutacionespueden ser consecuencia de: sustituciones, adiciones o deleciones .

Sustituciones : se cambia una base por otra, segn sea el problema causado, se clasificancomo: neutras, con sentido errneo y sin sentido.

Neutras : al cambiar la base, cambia el triplete pero codifica el mismo aminocidoCon 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 ATAARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

Sustitucin neutra

ADN 3 TAC TCA GAC ACG ATA

ARN 5 AUG AGUCUG UGC UAUProtena met ser leu cys tyr

Con sentido errneoADN 3 TAC TCA AGC ACG ATAARN 5 AUG AGU UCG UGC UAU

Protena met ser ser cys tyr

Sin sentidoADN 3 TAC TCA ATC ACG ATAARN 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 delectura de los tripletes del ARNm, y aparecen protenas muy distintas .En la delecin se pierdeun par de bases del DNA indicndose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente ala base de la hebra molde y en la adicin se incorpora un par de bases en el ADN, tambinindicndose en el esquema con una flecha la base que se adicion en la hebra molde.

DELECCINMensaje original

ADN 3 TAC TCA AAC ACG ATAARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

ADN 3 TAC TCA AAC

A CGA TA...ARN 5 AUG AGU UUU GCU AU

Protena met ser phe ala

ADICIN

Mensaje original

ADN 3 TAC TCA AAC ACG ATAARN 5 AUG AGU UUG UGC UAU

Protena met ser leu cys tyr

ADN 3 TAC TCA CAA CAC GAT ..AARN 5 AUG AGUGUU GUG CUA..U

Protena met ser val val leu

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8. BIOTECNOLOGA

La ingeniera gentica es una tcnica que manipula genes se puede alterar o introducir genes enel genoma de un ser vivo que carece de ellos. Como por ejemplo en las plantas se intentan crearvariedades ms resistentes al clima o a las plagas, con mayor poder nutritivo o de mayor tamao.En los animales se pueden obtener variedades ganaderas de mayor rendimiento o de ms rpido

crecimiento. En humanos se intentan curar determinadas enfermedades genticas (terapiagnica), obtener sustancias tiles para la salud como la insulina, factores de coagulacin oalgunos tipos de vacunas producidas por bacterias. Tambin se utilizan microorganismos paradegradar determinados contaminantes como metales y plsticos, pero Cmo se logra todoesto?

Para extraer un gen de inters de una molcula de DNA e insertarlo en otra se requiere cortar yunir con precisin, la herramienta de corte son enzimas bacterianas llamadas enzimas derestriccin , las cuales cortan el ADN en puntos concretos y as separan los segmentos de ADNque interesan y con la tecnologa del ADN recombinante, se intercalan los segmentos de ADNextrao en un ADN receptor.

En la actualidad se puede aislar un gen determinado mediante enzimas de restriccin el quemediante un vector que puede ser un plsmido o un virus , se introduce en bacterias las que alreproducirse, van aumentando el nmero de copias de ese gen, proceso conocido comoclonacin del ADN .

A los organismos eucariticos desarrollados a partir de una clula en la que se han introducidogenes extraos se les denominan organismos transgnicos .

En el siguiente esquema se puede observar unas cuantas aplicaciones de bacterias genticamentemanipuladas. En los ejemplos de la parte izquierda, en las copias del mismo gen estn losproductos deseables. En el lado derecho, la protena producto del gen se obtiene de la bacteria.

Iniciando con el extremo superior izquierdo, observamos que primero un plsmido se asla deuna bacteria. Mientras tanto (extremo superior derecho), a partir de otra clula se obtiene elADN que transporta un gen de inters, quizs una clula animal (como en este ejemplo), unaclula vegetal u otra bacteria. El gen de inters podra ser un gen humano que codificara para unaprotena con valor mdico o un gen vegetal que diese resistencia contra los insectos dainos.Una pieza de ADN que contiene el gen se inserta al plsmido, produciendo el ADN recombinante, y

una clula bacteriana incorpora el plsmido mediante la transformacin. Esta bacteriagenticamente manipulada, se clona posteriormente (se le permite reproducirse), a fin de generarmuchas copias del gen.

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Protena que seutiliza para simular

nieve a una mayortemperatura

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GLOSARIOCodn (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 estructurasoperacionales presentes en las clulas. Los genes expresados incluyen a aquellos que han sido transcritos amRNA y luego traducidos a protenas y aquellos que han sido transcritos a RNA pero no traducidos aprotenas (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 DNAcontrolan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases deDNA 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 deDNA preexistente. Esto produce un corrimiento del marco de lectura en el proceso de sntesis proteicadando, 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 codificapara una protena, esta secuencia se transcribe al mRNA pero en un proceso de "corte y empalme" se separadel 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 templadospreexistentes, 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, consisteen 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 setraduce en los ribosomas en una secuencia proteica. Se abrevia mRNA.RNA polimerasa : Complejo enzimtico que cataliza la sntesis de RNA (transcripcin) utilizando como moldela cadena de una molcula de DNA. En eucariontes existen tres RNA polimerasas: la I sintetiza rRNA de grantamao; 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.

Preguntas de seleccin mltiple

1. Se realiza el proceso de traduccin en una clula eucaritica en el interior de

I) ncleo.II) cloroplasto.III) mitocondrias.

A) Slo I.B) Slo II.C) Slo III.D) Slo I y II.E) Slo II y III.

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8. Si el DNA contiene la informacin para la sntesis de protenas, entonces, el responsable directo de lasntesis de los carbohidratos y lpidos que existen en la materia viva corresponde a el (las)

A) enzimas.B) ribosomas.C) nucleosomas.D) cidos ribonucleicos.

E) retculo endoplasmtico.9. Si el cdigo gentico estuviese especificado por codones constituidos por secuencias de dos nucletidos,

cuntos aminocidos, como mximo, podran ser especificados en tal lenguaje gentico?

A) 64 aminocidos.B) 61 aminocidos.C) 20 aminocidos.D) 16 aminocidosE) 4 aminocidos.

10. El siguiente esquema muestra etapas de la transcripcin del DNA. Se seala la hebra molde (nocodificante) de DNA que es transcrita por la enzima RNA polimerasa. El orden correcto para esteproceso es

A) A,B,C,DB) C,D,A,BC) B,A,D,CD) B,A,C,DE) C,D,B,A

11. Usted es un ingeniero gentico con estudios de etologa molecular y en un trabajo de investigacinmicroinyect RNA de secuencia 5 UUU UUU UUU UUU 3 en clulas bacterianas de Listeriamonocytogenes y se formo un polipptido con una secuencia de un aminocido nico y en clulas deroble chileno ( Nothofagus oblicua ) se form otro polipptido tambin con una secuencia de aminocidos

nica, pero totalmente diferente al anterior. La propiedad del cdigo gentico que podra sercuestionada con este hipottico resultado experimental sera su

A) continuidad.B) ambigedad.C) degeneracin.D) universalidad.E) no sobreposicin.

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12. La resistencia inicial que manifestaron los cientficos para adjudicar a la molcula DNA la responsabilidadde almacenar la informacin gentica de los seres vivos se deba a que

I) estaba constituida tan slo por 4 bases distintas, a diferencia de las protenas que al estarconstituidas por 20 aminocidos distintos, las haca ser muchsimo mejores candidataspara dicha tarea.

II) no era suficientemente convincente que la muestra purificada de DNA utilizada en el

experimento de Avery, estuviese libre de protenas.III) la estructura de doble hlice del DNA ya haba sido descrita como estructura propia de lasprotenas.

Son afirmaciones correctas

A) slo I.B) slo II.C) slo III.D) slo I y II.E) I, II y III.

13. Se estudi la expresin de un gen bacteriano que codifica para una enzima oxidativa. Se determino lacantidad de RNA mensajero sintetizado a diferentes condiciones de temperatura y de disponibilidad de

oxgeno, segn se muestra en el grfico.

A partir de estos resultados, se puede concluir correctamente que

I) el aumento de la temperatura estimula la transcripcin del gen bacteriano.II) la presencia de oxigeno tiende a inhibir la expresin del gen bacteriano.

III) a una misma temperatura la cantidad de RNAm sintetizado es mayor en ausencia que enpresencia de oxgeno.

A) Slo I.B) Slo II.C) Slo III.D) Slo I y II.E) I, II y III.

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Las preguntas 14 y 15 se refieren al siguiente esquema:

14. El siguiente ribonucletido que debe incorporar la RNA polimerasa en el extremo 3` es el de

A) timina.B) uracilo.C) adenina.D) citosina.E) guanina.

15. Sobre el proceso de transcripcin que se presenta, es correcto afirmar que lo sealado con el nmero

A) 1 corresponde a las hebras que se estn enrollando.B) 2 corresponde a la hebra molde o templado.C) 3 corresponde a las hebras que se estn desenrollando.D) 4 corresponde al transcrito primario.E) 5 corresponde a la hebra codificadora.

1 3

2

5

4

DMON-BM12

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