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Mecanismos genéticos básicos
BLOQUE I
Introducción a mecanismos genéticos básicos El dogma central que tiene en cuenta el flujo de la información de los sistemas biológicos, como la información contenida en el ADN se replica para que sea transferido a las células hijas, como esa información se trascribe a ARN para finalmente traducirse a las proteínas por el mecanismo de traducción. Mecanismos genéticos básicos:
- Metabolismo de ADN.
- Metabolismo de ARN.
- Síntesis de proteína. ADN El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que contiene instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos y algunos virus, y es responsable de su transmisión hereditaria, la función principal del ADN es el almacenamiento a largo plazo de información. Los ácidos nucleicos son las biomoléculas portadoras de la información genética, son biopolímeros de elevado peso molecular formados por otras subunidades estructurales o monómeros denominados nucleótidos. Desde el punto de vista químico los ácidos nucleótidos son macromoléculas formadas por polímeros lineales de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiester. Todos los nucleótidos tienen la misma estructura básica, formada por 3 componentes químicos enlazados, una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato. El ADN está compuesto por una secuencia de nucleótidos formados por desoxirribosa, las bases nitrogenadas que son adenina, guanina, citosina y timina. Las bases nitrogenadas son compuestos heterocíclicos formados por átomos de carbono y de nitrógeno, existen 2 tipos de bases nitrogenadas, las purinas y las pirimidinas. Las purinas incluyen adenina y guanina, mientras que las pirimidinas incluyen timina (en el ADN), uracilo (en el ARN) y citosina. La pentosa que forma parte de los nucleótidos puede ser de dos tipos, puede ser una ribosa o una desoxirribosa. La ribosa está presente en los ribonucleotidos que forman el ARN y la
desoxirribosa es la pentosa propia del ADN y que forma los desoxirribonucleótidos. La diferencia que hay entre las 2 es en su estructura química, en el C2 presenta la ribosa un OH y en la desoxirribosa el C2 solo está unido a un H. Formación de nucleótidos El 1er paso es la unión de una base nitrogenada con una pentosa, esta unión libera una molécula de H2O y da lugar a un nucleósido, esta unión se lleva a cabo mediante un enlace N-glicosidico, este enlace se forma entre el C1 de la pentosa y un nitrógeno de la base (el N9 si es púrica y el N1 si es pirimidínica). Los nucleótidos son esteres fosfóricos de los nucleósidos, es decir, que se forman por la unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico, el enlace es de tipo éster y ocurre entre el grupo hidroxilo de C5 de la pentosa y el ácido fosfórico y se libera una molécula de H2O Los nucleótidos se unen entre sí mediante el grupo fosfato del 2do nucleótido que sirve de puente de unión entre el carbono 5´ del primer nucleótido y el carbono 3´ del siguiente nucleótido. La secuencia de nucleótidos se ordena de 5´a 3´. Entonces el ADN es un polímero lineal de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina que presenta diferentes niveles de complejidad estructural (1ria, 2ria y 3ria). Estructura primaria Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlace fosfodiéster (5´-3´), este enlace ocurre entre el grupo OH del C3 de uno de los nucleótidos y el grupo fosfato que está unido al C5 del siguiente nucleótido y en la unión se libera una molécula de H2O. Cada cadena de ADN se diferencia por su tamaño, composición y secuencia de bases: A, T, C, G. Estructura secundaria Estructura en la que se dispone el ADN en el espacio. Es una estructura de doble hélice, permite explicar el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN, fue postulado por James Watson y Francis Crick en 1953. Se descubrió que la viscosidad y densidad del ADN era mayor que una cadena sencilla, todo apuntaba que estaría formado por más de una cadena de polinucleótidos. El modelo de la doble hélice presenta un diámetro de 2 nm, está formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas, y las bases nitrogenadas van hacia el interior. Cada vuelta de la doble hélice está formada por 10 nucleótidos, por lo tanto su distancia será de 10 nucleótidos por 0,34nm de distancia entre ellos, por lo que son 3,4nm. Es una cadena doble dextrógiro o levógiro según el tipo de ADN, ambas cadenas son complementarias, la adenina de una se une a la timina de la otra y la guanina de una a la citosina de la otra, estas bases enfrentadas son las que constituyen los puentes de hidrogeno, la adenina forma 2 puentes de hidrogeno con timina y guanina forma 3 puentes de hidrogeno con citosina. Ambas cadenas son antiparalelas, el extremo 3´ de una se enfrenta al extremo 5´ de la otra. Las 2 hebras están enrolladas en torno a un eje imaginario que gira en contra del sentido de las agujas de un reloj. Las vueltas de estas hélices se estabilizan mediante puentes de hidrogeno, la doble hélice es una molécula bastante rígida y viscosa de una longitud inmensa y un diámetro pequeño, en esta molécula se puede observar un surco mayor y un surco menor. Estructura terciaria En procariotas: el ADN circular se enrolla sobre sí mismo, formando una superhélice.
REPLICACIÓN DEL ADN
La replicación del ADN es un mecanismo que tienen las células para transferir la información genética desde las células progenitoras a las células de la descendencia. El ADN está organizado en 23 pares de cromosomas (46 unidades de cromosomas) dentro del núcleo de la célula. En esta instancia hay una sola cromátide (ii) Luego de la replicación vamos a tener los 23 pares de cromosomas pero cada par va a tener 2 cromátides (xx), se duplica el ADN. La enzima de la replicación solamente puede leer la secuencia de ADN desde el extremo 3´ hacia el 5´. Lo primero que va a actuar sobre el ADN es la enzima topoisomerasa, enzima que se ocupa de romper en algún lugar una de las hebras del ADN para relajarla y poder desenrollarla, se empieza a abrir y ahí es donde se encuentra el origen de replicación, en este origen se necesita poner enzimas para que se mantengan el ADN abierto, estas enzimas se llaman helicasas que también desenrollan el ADN y lo mantienen abierto. Luego intervienen las proteínas SSB que son proteínas que se enganchan a las cadenas separadas de manera que las estabilizan, porque si no estuvieran estas proteínas lo que sucedería es que detrás de la helicasa las cadenas se volverían a juntar. A medida de que esto se va abriendo cada vez más se forma la horquilla de replicación. El origen de replicación es una región rica en adenina-timina ya que es más fácil separar 2 puentes de H.
Ahora que la cadena está abierta puede venir a cumplir su función la enzima de la replicación, la ADN polimerasa III, esta enzima va a ir incorporando nuevos nucleótidos para formar la nueva cadena, se va a posicionar de 3´a 5´y va a formar la nueva cadena siempre de 5´a 3´. La 2da cadena que va a sintetizar va a ser de 3´a 5´, la cadena 5´-3´va a ser continua pero la cadena 3´-5´ va a generar otro fragmento formando una cadena discontinua, estos fragmentos que se van formando de 5´-3´son los fragmentos de okazaki. De esta forma de 2 cadenas viejas se forman 4 cadenas, 2 viejas y 2 nuevas. Por esta razón se dice que la replicación es semiconservativa, porque conserva solamente la mitad de la molécula original. La ADN polimerasa III tiene un defecto, no puede colocar el primer nucleótido suelto en el extremo 5´, tiene que engancharse. Ese fragmento de unos pequeños nucleótidos que necesita el ADN polimerasa III para poder unirlos se llama cebador. Las enzimas que tienen la capacidad de generar los cebadores son las ARN primasas. Estos cebadores quedan incorporados en las nuevas cadenas pero se deben quitar, de esto se encarga la ADN polimerasa I. Al quitar estos cebadores queda un espacio, la enzima encargada de unir los fragmentos que quito la ADN polimerasa I es la ligasa.
ARN
Es un ácido nucleico formado por una cadena de ribonucleótidos. Principales características del ARN:
- Tiene una sola cadena, sin embargo puede tener zonas de apareamiento (contorsionista molecular).
- Azúcar ribosa (OH en el carbono 2).
- Uracilo en vez de timina, se empareja con adenina y también con guanina cuando se pliega. Hay varios ARN que tienen la misma composición química, pero distinta estructura y función. Los principales son:
- ARN mensajero: su estructura es lineal, excepto en algunas zonas donde se pliega. Su función principal es
EL CÓDIGO GENÉTICO
En 1954 se descubrió que el código genético se lee de 3 en 3 bases y a eso se le llama codones, en 1955 descubrieron la enzima polinucleótido fosforilasa que lo que hace es que con cualquier ribonucleótido que haya en el medio los recoge y los une al azar, polimerizando, sintetizando ARNm, este ARNm se hace sin molde. En el año 1961 se expuso en un medio controlado un ARN que se habíanformado solo con ribonucleótidos de uracilo, a este ARN se le llama PoliU, también se hecho ribosomas y aminoácidos, todo lo necesario para que ocurriera la síntesis proteica y dio que todos los polipéptidos que se habían formado estaban todos formados solamente con el aminoácido fenilalanina, y luego se decodifico el 1er codón que es el codón UUU que va a dar lugar a la fenilalanina, y de esta manera añadiendo ARN mensajeros diferentes y de secuencia conocidas con muchísimo trabajo, diferentes científicos fueron descifrando el código genético. El código genético es la relación existente entre los nucleótidos de ARNm y los aminoácidos de la proteína que ha formado. En el año 1964 un científico describe la estructura del ARNt, tiene forma de trébol, adquiere una forma tridimensional debido a que hay bases dentro de los ribonucleótidos de esta cadena que son complementarias entre si y se pliegan constituyendo pequeñas zonas en hélices. Tiene un extremo 5´y 3´, en el extremo 3´ al final se encuentra la secuencia CCA que es la secuencia aceptora de aminoácidos, los aa que se van a unir ahí son los que diga el anticodón que es un triplete de bases complementario al codón especifico de ARNm y también la unión del aa se debe a la constitución de los otros 2 brazos, el brazo T y el brazo D.
CARACTERISTICAS DEL CODIGO GENETICO:
- De los 64 codones posibles solamente tenemos a 61 que sean codificadores, hay uno que aparte de codificar es lo que se conoce como codón de inicio llamado START y es AUG (metionina) y hay 3 codones que son llamados de terminación o STOP que son UAA, VAG y UGA.
- Es un código que tiene una lectura lineal, se lee sin espacios y sin superposición.
- El código genético es universal, es decir, el mísmo para todos los seres vivos.
- Es redundante, significa que cada aa puede ser codificado por más de un codón y esto es una ventaja porque aun habiendo errores hay una mayor probabilidad de que no tengan efecto y por lo tanto no haya mutaciones y la que la proteína siga siendo útil.
TRADUCCIÓN GENÉTICA
Es la biosíntesis de proteínas según el código del ARNm. El proceso ocurre tanto en eucariotas como procariotas en el citoplasma. Fases:
- Fase 0 (previa): se producen los aminoacil-ARNt y hay a su vez 2 subfases: Activación: tienen que activarse los aa y se activan mediante los ATP, quedando los aa unidos a una molécula de AMP, y 2 fosfatos unidos quedarían libres. Transferencia: actúa la enzima aminoacilARNt-sintetasa trabajando con los anticodones de los ARNt, de modo que a cada ARNt se le va a unir el aa específico para el anticodón que lleva en su estructura, luego el aa activado que ahora el enzima si puede pasar ese aa a ese ARNt resultando una liberación de AMP y tenemos ya el aminoacilARNt especifico y estos son los que van a poder ser unidos en el proceso de traducción para formar la proteína.
- Fase 1 (inicio): los protagonistas van a ser una secuencia del ARNm que se llama 5´UTR, una región que no va a ser traducida y los factores de iniciación. a. Al extremo 5´se va a unir un factor de inicio (IF1), luego se va a acoplar la subunidad menor del ribosoma, se mueve hasta llegar al codón de inicio (AUG). b. Cuando llega a este codón de inicio se une un segundo factor (IF2), una vez que se acopla este factor va a unirse también una molécula de GTP y va a poder unirse también a la subunidad menor el 1er aminoacilARNt que va a ser siempre uno que metionina ya que el 1er codón es el de la metionina. c. Ocurre un uso de la energía del GTP, se rompe ese enlace, se desprende energía que va a producir un cambio conformacional importante en ese factor de liberación que va a hacer que a su vez se liberen los 2 factores (IF1 Y IF2), y también se libera un GDP + un fosfato. d. Una vez liberados los factos de inicio ya puede acoplarse la subunidad mayor y hay varios sitios en el ribosoma, sitio E, sitio P y sitio A. E significa de salida, una vez que avance el ribosoma quedaría
- Fase 3 (terminación): está dada por los codones de terminación o stop (UAA, UAG, UGA). a. Cuando llega el ribosoma a un codón de terminación no se le une ningún aminoacil-ARNt, a ese codón lo que se le une es un factor de terminación (RF). En el sitio P se encuentra a la proteína que se ha estado formando tocaría pasarlo al sitio A, sin embargo en vez de actuar la enzima peptidiltransferasa ocurre una hidrolisis y se necesita energía, GTP, esa hidrolisis lo que va a hacer es que ya no siga el proceso y se libere la proteína. b. Queda la proteína liberada, también se libera la subunidad mayor, la subunidad menor del ribosoma y también se libera el factor de terminación terminando el factor de traducción. https://www.youtube.com/watch?v=z2sICp8E1BA
