Genética molecular
TRANSCRIPCIÓN
La transcripción es el proceso de
síntesis de los ARN a partir de una molécula de ADN que le sirve de molde o
patrón.
Para que ocurra la transcripción es
necesaria la participación de:
•
Los
cuatro ribonucleósidos trifosfatados.(GTP; ATP; CTP y UTP)
•
Iones
divalentes, sobre todo magnesio.
•
Proteínas que intervienen en diferentes etapas
del proceso, como la Nus A y rho.
•
La ARN polimerasa, que cataliza
la unión de los nucleótidos en la cadena de ARN.
•
DNA molde o patrón
Este
proceso, al igual que la replicación consta de 5 etapas que son:
•
Preiniciación, que consiste en que la ARN polimerasa localiza un
sitio específico del ADN denominado promotor y se separan las dos cadenas, de
forma que la secuencia de bases sea accesible a la acción de la enzima.
•
Iniciación, en que se colocan los primeros nucleótidos.
•
Elongación, consiste en el alargamiento de la
cadena.
•
Terminación, donde cesa el alargamiento de la cadena de ARN y se
separan del ADN la ARN
polimerasa y el ARN sintetizado y
•
Posterminación, en la que ocurre la
modificación del transcripto primario hasta que sea funcional.
En la transcripción la ARN polimerasa provoca un
desenrollamiento local del ADN, lee la secuencia de bases de la hebra del ADN
que le sirve de molde en el sentido 3´ - 5´ y realiza la síntesis de una cadena
de ARN complementaria en el sentido 5´- 3´.
A medida que avanza la polimerasa las dos
cadenas del ADN se enrollan de nuevo.
Cuando la enzima alcanza la señal de
terminación en la cadena de ADN molde, se separa del ADN y del ARN sintetizado.
Este
proceso tiene varias características generales que son:
•
Los ribonucleótidos
son añadidos uno a uno al extremo de una hebra en crecimiento por enzimas
denominadas ARN polimerasas dependientes de ADN o ARN polimerasas.
•
La secuencia de bases del ARN es
complementaria a la hebra de ADN que se está copiando.
•
La hebra de ARN crece en sentido 5’ 3’ , mientras que va copiando la
hebra de ADN que está en dirección 3´5’ carácter antiparalela.
•
No tiene necesidad de un iniciador o cebador
las RNA polimerasa inician elonga y rectifican. Las ARN polimerasas son capaces por sí mismas
de iniciar la síntesis
•
Está acoplada a la hidrólisis del pirofosfato.
•
La reacción básica
es la de polimerización. Que consiste en la adición de un ribonucleósido
trifosfatado al extremo 3' 0H del nucleótido precedente, con
liberación de pirofosfato
•
Su síntesis es complementaría la hebra de ADN, que se está copiando.
•
La hebra de ARN
crece en el sentido 5 ' 3 ‘, mientras que la lectura de la hebra del ADN ocurre
en dirección 3' 5' luego la síntesis es antiparalela y unidireccional.
•
El proceso de
polimerización en la replicación ocurre acoplada a la hidrólisis del
pirofosfato.
•
Las bases son añadidas
una a una de forma gradual, unidireccional y antiparalela.
Debes orientar el estudio de los eventos
que se verifican en el proceso de transcripción y los eventos post trancripcionales
Existe dos tipos de inhibidores: los que
impiden la separación de las cadenas del ADN, que son también inhibidores de la
replicación, y los que actúan de forma directa sobre las RNA polimerasas En este
grupo se encuentra rifampicina, que actúa sobre la ARN polimerasa, impidiendo la
fase de iniciación. Y la alfa amanitina cáliz de la muerte presente en las setas parecida a los champiñones los inhibe la síntesis de ARN en eucariontes
por actuar sobre la ARN
Polimerasa II
Antes de
comenzar el estudio de la secuencia de eventos de la traducción, es necesario
puntualizar algunas características del ARN ribosomal y del ARN de
transferencia por su participación en este proceso.
ESTRUCTURA DEL RIBOSOMA
El ribosoma
tiene una subunidad mayor en la parte superior y la menor en la inferior.
En la
subunidad mayor se representan dos estructuras;
•
El sitio o locus peptidilo, donde solo pueden
unirse el ARN de transferencia de la metionina o un ARN de transferencia con
una cadena polipeptídica unida y
•
El sitio o locus aminoacilo, donde solo puede
unirse el ARN de transferencia que transporta el aminoácido correspondiente a
la secuencia establecida por el ARN mensajero en el proceso de síntesis de
proteínas.
La forma
tridimensional del ARN de transferencia
es una L invertida. Observen en la imagen que tiene un aminoácido unido en el
extremo superior derecho de la molécula, correspondiente al extremo del brazo
aminoacídico, mientras que en el otro extremo se encuentra el anticodón, que
consiste en tres bases nitrogenadas cuya función es la de unirse a otras tres
bases del ARN mensajero, que constituyen el codón.
En la
década del 60 del siglo pasado, se comprobó que tres bases nitrogenadas
consecutivas del ARN mensajero codificaban un aminoácido, esta relación de
equivalencia constituye el código genético.
Código genético
El código
genético se define como la relación de equivalencia entre la secuencia de bases
del ARN mensajero y la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada,
donde tres bases nitrogenadas consecutivas del ARN mensajero codifican un
aminoácido.
En la
estructura de las proteínas se encuentran 20 aminoácidos diferentes, mientras
que solo hay 4 bases nitrogenadas en el ADN. La importancia del código genético,
radica en establecer la relación de correspondencia entre las bases
nitrogenadas y el aminoácido codificado.
El código
genético está formado por 64 agrupaciones de tres bases nitrogenadas del ARN
mensajero denominadas tripletes o codones.
Tiene las
siguientes características:
•
El código genético
está formado por tripletes de bases denominadas codones.
•
Cada codón
codifica un sólo aminoácido, por lo que el código no es ambiguo o
imperfecto.
•
Un aminoácido
presenta varios codones que lo codifican, por lo que el código es degenerado
o redundante.
•
Presenta un codón
de iniciación que codifica al aminoácido metionina y
•
Tres tripletes no
codifican aminoácidos, por lo que constituyen codones de terminación.
•
Carácter cuasi-universal,
ya que funciona por igual en casi todos los sistemas biológicos excepto en
levaduras.
•
No existe
solapamiento en el código genético.
•
La tercera base de
codón se caracteriza por ser muy inespecífica y esto garantiza la interaccion
codón del RNAm y el anticodon del RNAt
•
Existencia de codones
sinónimos.
Traducción
La
traducción es el mecanismo mediante el cual el ribosoma coloca los aminoácidos
transportados por los ARN de transferencia según el orden establecido por el
ARN mensajero, formando los enlaces peptídicos para sintetizar una cadena
polipeptídica.
En resumen,
la traducción es el proceso de síntesis de proteína.
La
traducción genética constituye la etapa crucial
en el mecanismo de expresión de la información genética. En este proceso
tiene lugar la síntesis de la proteína específica que ha de cumplir una función
determinada en la célula o el organismo, con lo cual la información contenida
en los genes quedará totalmente expresada. En la traducción genética se realiza
el tránsito del genotipo al fenotipo.
Orientaremos
la traducción en procariotas, por ser más sencilla y tener características
similares a la que ocurre en los organismos eucariotas.
Para que
ocurra la traducción se requiere de:
•
Los ribosomas,
donde se forman los enlaces peptídicos de la proteína sintetizada.
•
Los ARN de
transferencia, cuya función es transportar los aminoácidos que integran la
proteína colocándolos en el orden correspondiente.
•
Los aminoácidos
que forman parte de la secuencia de la proteína que se sintetiza.
•
El ARN mensajero
que contiene la información para la síntesis de la proteína.
•
Los factores de
iniciación, elongación y terminación, que son proteínas que participan en las
etapas correspondientes y
•
El ATP y el GTP,
que aportan la energía necesaria para el proceso.
Características
del proceso de traducción.
- Ocurre en los ribosomas, aunque la activación
de los aminoácidos tiene lugar en el citoplasma.
- Es un proceso
unidireccional ocurre desde el extremo N terminal hacia el C terminal.
•
Es colineal, ya
que se produce de forma unidireccional desde el extremo amino terminal, hacia
el carboxilo terminal de la proteína, en el mismo sentido de la lectura del ARN
mensajero.
- Tiene carácter gradual
y repetitivo, pues los aminoácidos van incorporándose uno a uno mediante
el mismo mecanismo.
- Tiene carácter acoplado, pues la energía
necesaria para el proceso proviene de la hidrólisis de nucleósidos
trifosfatados (ATP)
- Carácter dirigido,
pues el orden que los aminoácidos ocupan en la cadena polipeptídica(CP)
está determinado por el orden de los codones en el ARNm.
- Es un proceso
altamente costoso por el consumo de GTP y ATP.
- Participan el RNAr,
RNAt y RNAm.
- Es un proceso altamente endergónico, pues
consume GTP y ATP
- Factores proteicos y
no proteicos como son los factores
de iniciación elongación y terminación.
Para su
mejor comprensión, el estudio de la traducción ha sido dividido en las
siguientes etapas:
•
Activación de los
aminoácidos, correspondiente a la preiniciación.
•
Iniciación.
•
Elongación.
•
Terminación y
•
Posterminación.
Pre
iniciación
Activación de los Aminoácidos
La
activación de los aminoácidos es el proceso mediante el cual estos se unen
enzimáticamente a su ARN de transferencia.
Es la etapa
de la traducción que garantiza la fidelidad de la expresión genética, pues cada
aminoácido debe unirse al ARN de transferencia correspondiente.
La enzima
que cataliza el proceso es la aminoacil ARNt sintetasa y es muy específica.
La unión
del aminoácido al ARN de transferencia correspondiente, se realiza en dos
etapas:
•
En la primera
etapa o de activación propiamente dicha, el aminoácido se une al fosfato más
interno del ATP, para formar el aminoacil-adenilato, liberándose pirofosfato.
En esta
reacción el aminoácido se activa y adquiere parte de la energía necesaria para
la formación posterior del enlace peptídico.
•
En la segunda
etapa o de transferencia, el aminoácido se transfiere al grupo 3 prima
hidroxilo del extremo del brazo aminoacídico del ARN de transferencia
correspondiente, formándose el aminoacil ARNt, que es la forma activa de
los aminoácidos, con liberación de AMP.
INICIACIÓN
A
continuación se muestra la secuencia de eventos de la etapa de iniciación:
•
Observen que las dos subunidades del ribosoma
se encuentran separadas.
•
El ARN mensajero se une a la subunidad menor
del ribosoma,
•
Posteriormente se incorpora el ARN de
transferencia con la metionina, que siempre es el primer aminoácido
•
Se une el
metionilRNAT se une la
subunidad mayor del ribosoma.
El ARN
de transferencia de la metionina se encuentra en el sitio o locus peptidilo y
queda libre el sitio aminoacilo.
ELONGACIÓN
En la
siguiente secuencia se muestran los eventos de la etapa de elongación:
La entrada
en el sitio aminoacilo del aminoacil ARNt correspondiente.
Se forma
entonces el enlace peptídico entre la metionina y la glicina, catalizada por la
enzima peptidil transferasa, que se encuentra en la subunidad mayor del
ribosoma.
A
continuación se libera el ARN de transferencia que ocupaba el sitio peptidilo y
el ribosoma avanza tres nucleótidos en la dirección 5 prima 3 prima del ARN
mensajero, proceso que se denomina translocación.
Esta
secuencia se repite tantas veces como el número de aminoácidos de la proteína
que se sintetiza.
Podemos
resumir que la elongación consiste en la incorporación consecutiva de los
aminoacil-ARNt determinados por los codones del ARN mensajero.
TERMINACIÓN
En la etapa
de terminación, el ribosoma encuentra un codón de terminación que no codifica
ningún aminoácido. Con la participación de los factores de terminación, se
libera la proteína sintetizada y se separan el último ARN de transferencia y el
ARN mensajero.
POSTERMINACIÓN
En la
posterminación, las proteínas sintetizadas experimentan modificaciones que las
hacen totalmente funcionales como son:
•
Separación de
varios aminoácidos del extremo aminoterminal, donde generalmente se elimina la
metionina.
•
Se añaden grupos
prostéticos, como el grupo hemo de la hemoglobina.
•
Formación de
puentes disulfuro en muchas proteínas y
•
Modificación de
cadenas laterales de aminoácidos, como la hidroxilación de la prolina y la
lisina en el colágeno.
- Se hace resumen parcial y preguntas de
comprobación.
·
Continúa la proyección de la videorientadora
desde la Diapo
30 hasta la 44.
REGULACIÓN DE LA
EXPRESIÓN GENÉTICA
Para la
adaptación del organismo a las condiciones cambiantes del medio se dispone de
mecanismos de regulación de la síntesis de proteínas, los más utilizados son
los transcripcionales, ya que son más económicos para la célula.
La regulación transcripcional de la expresión genética en las células
procariotas se efectúa mediante mecanismos que se basan en el modelo del
operón.
El operón es un sector de la molécula de ADN que codifica la síntesis
de varias enzimas que actúan en la misma vía metabólica, a través de un ARN
mensajero.
El operón está formado por:
•
Varios sectores de la molécula de ADN, que a través de la síntesis de
un ARN mensajero, codifican polipéptidos específicos. Estos sectores se
denominan cistrones o genes estructurales.
•
El promotor, donde se une la enzima ARN polimerasa, cuya función es
sintetizar el ARN mensajero al transcribir los cistrones o genes estructurales.
•
El locus o sitio operador, adyacente a los cistrones, donde se une la
proteína represora.
•
El gen regulador, que codifica la síntesis de una proteína alostérica
llamada represor o proteína represora.
La proteína represora puede adoptar dos conformaciones, una activa o R,
capaz de unirse al operador y otra inactiva o T, que no puede unirse al
operador.
El paso de una conformación a otra se efectúa por la unión no covalente
de una sustancia que actúa como efector alostérico.
Cuando el operón se activa, se produce el mecanismo de regulación de
inducción enzimática.
INDUCCIÓN ENZIMÁTICA
La inducción enzimática es el mecanismo mediante el cual, la presencia
de una sustancia en el medio, provoca la síntesis de una enzima o grupo de
enzimas, que efectúan su degradación.
A la sustancia que provoca la inducción se le denomina inductor.
La proteína represora sintetizada por el gen regulador se encuentra en
estado R, o sea, activa y unida al sitio operador.
Por este motivo, la ARN
polimerasa no puede pasar del promotor hacia los genes estructurales o
cistrones. No se efectúan la transcripción ni la traducción; ni se sintetizan
las enzimas.
En este mecanismo al presentarse el inductor en el medio, se une a la
proteína represora, que cambia su forma al estado T o inactivo y se separa del
operador.
Se activa entonces la síntesis de enzimas.
Como se observa, la inducción enzimática es un proceso de desrepresión.
Un ejemplo es el operón lac, cuya estructura y funcionamiento
pueden profundizar en su libro de texto, siguiendo las orientaciones del CD de
la asignatura.
Por este mecanismo se produce la disminución de la acción de algunos
medicamentos, como los barbitúricos, ya que inducen la síntesis de las enzimas
hepáticas que los degradan para su excreción.
REPRESIÓN ENZIMÁTICA
La represión enzimática es el mecanismo mediante el cual la presencia
de una sustancia en el medio provoca la inhibición de la síntesis de una enzima
o grupo de enzimas que participan en su propia síntesis.
A la sustancia que provoca la represión se le denomina correpresor.
La proteína represora sintetizada por el gen regulador se encuentra en
estado T o sea inactiva y no se une al sitio operador.
Por este motivo, la ARN
polimerasa alcanza los genes estructurales o cistrones. Se efectúa la
transcripción y luego la traducción, es decir se sintetizan enzimas.
En este mecanismo, el correpresor en el medio, se une a la proteína
represora, la que cambia su forma al estado R o activa y se une al operador.
Bloquea entonces el paso de la
ARN polimerasa hacia los genes estructurales o cistrones y se
detienen la transcripción, la traducción y la síntesis de las enzimas.
Un ejemplo es el operón trip, cuya estructura y funcionamiento
pueden profundizar en su libro de texto, siguiendo las orientaciones del CD de
la asignatura.
ENFERMEDADES MOLECULARES
La información genética contenida en los ADN y su expresión pueden
alterarse por la acción de diferentes agentes, dando origen a las enfermedades
moleculares.
Las enfermedades moleculares son aquellas que se producen por
alteración en la síntesis de una proteína específica.
El mecanismo de producción está determinado por información defectuosa
en el ADN.
De acuerdo al tipo de alteración pueden ser cuantitativas cuando falta completamente la proteína o se sintetiza en menor cantidad de la necesaria, como ocurre en la hipercolesterolemia familiar.
Y cualitativas cuando se sintetizan proteínas con cambios en algunos
aminoácidos o con pérdida de sectores de la molécula de proteína, lo que
determina que se altere su función, como en la sicklemia.
En las enfermedades moleculares las proteínas afectadas pueden ser:
•
Estructurales, como en el Síndrome de Marfán.
•
De transporte, como en la sicklemia y algunas anemias hemolíticas.
•
Receptoras, como en la retinosis pigmentaria y la hipercolesterolemia
familiar.
•
Transportadores intracelulares, como en la fibrosis quística y
•
Enzimas, como en los defectos congénitos del metabolismo.
CÁNCER
El cáncer es una entidad nosológica caracterizada por una proliferación
celular desordenada e incontrolada que invade tejidos vecinos y alejados
causando grandes daños al organismo en que se encuentra.
•
CARACTERÍSTICAS DE
LAS CÉLULAS CANCEROSAS
•
Multiplicación a velocidad mayor que la correspondiente al tipo celular
que lo originó, que no responde a los mecanismos de control del organismo.
•
Comportamiento invasivo, hacia tejidos vecinos y alejados, sin respetar
los límites normales entre órganos.
•
Alto consumo energético.
•
Predominio del metabolismo anaerobio, lo que hace que consuman más
nutrientes y liberen productos de oxidación incompletos.
•
Alteraciones inmunológicas, ya que presentan modificaciones en el
mecanismo de reconocimiento intercelular y
•
Alteraciones morfológicas, que afectan tanto al tamaño como la forma de
la célula.
El conocimiento de estas características es importante para el
diagnóstico y tratamiento del cáncer a través de diferentes métodos y
técnicas como por ejemplo el estudio por
biopsias, citologías; así como la utilización de anticuerpos contra proteínas
propias de las células cancerosas.
El desarrollo actual de los conocimientos sobre la estructura y función
a los niveles molecular y celular ha permitido que se utilicen técnicas de
ingeniería genética para el diagnóstico y tratamiento de esta enfermedad.
INGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética se encarga de la manipulación de los genes en
los organismos vivos.
Para ello utiliza enzimas propias de los sistemas biológicos, como son
las enzimas que participan en la síntesis de ácidos nucleicos y en la recombinación.
Se logra incorporar información genética nueva al organismo, así como
eliminar genes específicos.
Una de las aplicaciones de la ingeniería genética es la terapia génica,
en la cual se corrige la información genética deficiente del organismo, como
ocurre en algunas enfermedades moleculares por deficiencia en la síntesis de
una proteína específica, por ejemplo, la deficiencia congénita de la enzima
adenina desaminasa.
Otra de sus aplicaciones es el diagnóstico prenatal, mediante la
síntesis de un segmento de ARN o ADN marcados, que son complementarios a cierta
secuencia del ADN humano. Estos segmentos se denominan sondas y son específicos
para detectar una enfermedad determinada.
- Se hace resumen parcial y preguntas de
comprobación.
·
Se orienta el estudio independiente y las
tareas docentes para el logro de los objetivos
propuestos, estimular el aprendizaje y ofrecer potencialidades educativas para
la búsqueda y adquisición de conocimientos y el desarrollo de habilidades de
los estudiantes durante la consolidación,
práctica docente y la evaluación, para
lo cual deberán ante todo revisar el CD y la guía didáctica con las
orientaciones del tema para cada una de las actividades que tendrán en la
semana.
CONCLUSIONES
o
La expresión de la información genética a
través de la cual se sintetizan las proteínas, se realiza mediante los procesos
de transcripción y traducción.
o
Los
procesos de replicación y transcripción ocurren en el núcleo y tienen una gran
importancia biológica, ya que permiten la conservación y expresión de la
información genética, contenida en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN,
y con ello la conservación de la especie.
o
El código genético permite que la información
secuencial contenida en el ADN sea convertida en la información conformacional
de las proteínas.
o
La regulación de la expresión genética se
realiza fundamentalmente a nivel de la transcripción y se efectúa por dos
mecanismos: la inducción y la represión
de la síntesis enzimática.
o
Las enfermedades moleculares están
determinadas genéticamente y se deben a alteraciones de la síntesis de
proteínas específicas.
o
La ingeniería genética permite modificar la
información genética de los organismos vivos, constituyendo un importante
recurso diagnóstico y terapéutico.
Genética molecular
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Reviewed by RabwinparaCristo
on
septiembre 14, 2017
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