TEMA: TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN PARA LA VIDA

Transcripción

1 ACTIVIDAD PRÁCTICA N 11 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS TEMA: TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN PARA LA VIDA INTRODUCCIÓN A esta altura del curso conocemos ya el conjunto de procesos que permiten a un organismo intercambiar materia y energía con el medio, y sintetizar y degradar las moléculas necesarias para su desarrollo, crecimiento y multiplicación. Se ha comprobado que hay una serie de procesos bioquímicos que son idénticos o muy semejantes, para organismos morfológica y fisiológicamente muy diferentes y también es fácil observar que todas las especies tienen aptitud para generar descendencia que reproduce con total precisión los rasgos esenciales de la especie. Cómo se garantiza esta reproducción de la información biológica? Por qué organismos tan diferentes como una planta y un animal poseen analogías en algunos procesos básicos como la glucólisis, la respiración, etc.? Es fácil adelantar una respuesta: los ácidos nucleicos son los responsables de transmitir la información de una generación a otra y, según la teoría evolutiva, las diferentes especies se originaron por sucesivas mutaciones a partir de organismos muy sencillos. Lo que interesa conocer en este seminario es, centralmente, el conjunto de mecanismos que hacen que los ácidos nucleicos actúen como base para la transmisión de la información esencial para la vida. Estructura: Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) poseen una serie de características estructurales análogas y otras que los diferencian entre sí. La unidad estructural de los ácidos nucleicos son los nucleótidos trifosfato, como se representa en la Figura 1: Como puede observarse, la unión de los nucleótidos para formar la cadena se realiza por uniones fosfodiester entre el OH - del C5' de una pentosa y el OH - del C3' de la siguiente. Existen dos diferencias fundamentales entre el ADN y el ARN: - En el ADN las bases (B) son Adenina, Citocina, Timina y Guanina y el azúcar es la 2- desoxiribosa (por eso se denomina Ácido Desoxirribonucleico). 57

2 - En el ARN las bases (B) son Adenina, Citocina, Uracilo y Guanina y el azúcar es la Ribosa (por eso se denomina Ácido Ribonucleico). Otra diferencia entre el ADN y el ARN referida a su estructura, es que el ADN, salvo algunas excepciones, se encuentra como una doble hélice formada por dos cadenas que se enrollan una sobre la otra, mientras que el ARN es una sola cadena. La estructura doble hélice del ADN, así como la ocurrencia de otros procesos en los que participan los ácidos nucleicos, son estabilizadas por la formación de puentes hidrógeno entre las bases nitrogenadas. (Ver Figura 2) Como se observa en la Fig. 3 por su estructura la Adenina puede formar 2 puentes hidrógeno con la Timina (o el Uracilo), mientras que la Guanina forma 3 puentes hidrógeno con la Citocina. De este modo, cuando estas bases se enfrentan a la distancia apropiada, se establecen los enlaces puente hidrógeno que estabilizan el sistema (Fig. 4). Este proceso de apareamiento por puentes hidrógenos es lo que se denomina Complementariedad de bases. 58

3 Duplicación del ADN La duplicación o replicación del ADN es un proceso de gran importancia que tiene lugar durante el periodo S de la Interfase del Ciclo Celular. La finalidad del mencionado proceso es la de asegurar que las células hijas resultantes del mismo tendrán la misma información genética que la célula original. Si cada célula hija debe disponer de la misma información que tenía la célula madre, necesariamente durante la división mitótica, el ADN que se distribuye en las dos células hijas debe ser idéntico. Es fácil comprender que para que esto suceda, antes de la división, el ADN de la célula madre debe duplicarse (es decir la célula madre deberá poseer 2 copias "idénticas") para que cada célula hija reciba la misma dotación genética. Este proceso, que garantiza la aparición de dos cadenas idénticas de ADN a partir de una ADN molde, se denomina Replicación o Duplicación. Para que la célula pueda duplicar su ADN requiere: ADN molde, es decir una cadena de ADN que sirve como información básica y soporte estructural del proceso de replicación. Decimos información básica (o "molde") por que la nueva cadena de ADN se sintetiza copiando la original por complementariedad de bases. dntp (datp, dttp, dctp y dgtp) componentes estructurales del ADN activados como desoxinucleótidostrifosfato. Helicasa: enzima encargada de producir la ruptura de los enlaces puente hidrógeno entre las bases de las dos hebras complementarias que constituyen la molécula de ADN, provocando de esta manera la separación de dichas hebras para permitir obtener el molde que será copiado por la ADN polimerasa. 59

4 Topoisomerasa: enzima encargada de eliminar los super-enrollamientos positivos que se producen a medida que el ADN se va desenrollando, la finalidad del mecanismo de acción de esta enzima es la de aflojar tensiones. ARN cebador o primer: pequeño segmento de ARN de aproximadamente 5 a 10 nucleótidos, cuya función es la de brindar el 3 -OH libre para que a partir de allí la ADN polimerasa pueda comenzar a catalizar la polimerización de la cadena polinucleotídica. Enzima ARN polimerasa o primasa: encargada de la síntesis del ARN cebador o primer. ADN polimerasa III: enzima que cataliza la unión de los nucleótidos trifosfato a partirdel OH - del C 3' libre del ARN "cebador". ADN polimerasa I: elimina el ARN cebador y rellena el espacio. ADN ligasa: enzima que realiza la unión de los fragmentos de ADN sintetizados. Proteínas Estabilizadoras El sentido de la hebra naciente es 5 3. Transcripción La Transcripción es el proceso por el cual la información contenida en la molécula de ADN se transcribe para sintetizar moléculas de ARN. Los ARN sintetizados pueden ser de tres tipos: ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN mensajero. Para que el proceso de transcripción pueda ocurrir se requiere: ADN molde de una cadena. NTP (ATP, GTP, UTP y CTP) que son las unidades estructurales que van a formar la molécula de ARN. ARN polimerasa: enzima responsable de catalizar la formación de los enlaces fosfodiester entre los nucleótidos trifosfato. Esta enzima es ADN dependiente, o sea que utiliza ADN como molde. El sentido de la hebra de ARN naciente es 5 3. En los organismos eucariotas este proceso ocurre en el interior del núcleo y el ARN para poder participar en la síntesis de proteínas debe salir a citosol, para lo cual previamente debe sufrir una serie de modificaciones, este proceso se conoce como maduración del ARNm. Dentro de las modificaciones sufridas podemos mencionar: Incorporación de 7-metilguanosina en el extremo 5 para defender el ARNm del ataque de fosfatasas y nucleasas, además de favorecer el ARNm pueda ser reconocido por el complejo de síntesis de proteínas. La incorporación de 100 a 200 adeninas en el extremo 3, proceso denominado poliadenilación, que protege al ARN del ataque de nucleasas. 60

5 Eliminación de intrones, que corresponden a secuencias de ARN que no llevan información para una determinada proteína. Código Genético: U C A G U C A G UUU Fen UUC Fen UUA Leu UUGLeu CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Leu AUU Ile AUC Ile AUA Ile AUGMet GUU Val GUC Val GUA Val GUG Val UCU Ser UCC Ser UCA Ser UCG Ser CCU Pro CCC Pro CCA Pro CCG Pro ACU Tre ACC Tre ACA Tre ACG Tre GCU Ala GCC Ala GCA Ala GCG Ala UAUTir UACTir UAAStop UAG Stop CAU His CAC His CAA Gln CAG Gln AAU Asn AAC Asn AAA Lis AAG Lis GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu UGU Cis UGC Cis UGA Stop UGG Trp CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg GGU Gli GGC Gli GGA Gli GGG Gli U C A G En qué consiste la "información genética"?; el ARNm está constituido por una secuencia de nucleótidos, cuyo ordenamiento es diferente para cada proteína que va a sintetizarse. A su vez, cada proteína tiene una secuencia particular de aminoácidos propios. Una secuencia de tres nucleótidos del ARNm codifica para un aminoácido. Cuatro nucleótidos tomados de tres en tres, pueden producir (4 3 )= 64 combinaciones distintas y de esto puede inferirse que secuencias diferentes codifican para un mismo aminoácido, ya que hay 20 aminoácidos constituyentes de proteínas. Por ejemplo si en el ARNm hay una secuencia UUA, en la proteína aparecerá el aminoácido leucina, que también aparecerá si la secuencia es CUG. En cambio, si la secuencia es UUU el aminoácido resultante será fenilalanina (ver tabla de Código Genético). A cada secuencia de tres nucleótidos de ARNm que codifica para un aminoácido determinado se denomina Codón. Nos falta conocer cómo la información de los codones la transformamos en proteína. Traducción El proceso de síntesis de proteínas se denomina Traducción porque el alfabeto de cuatro letras de los ácidos nucleicos se traduce a otro alfabeto completamente distinto que es el de las proteínas. Para que se realice el proceso de traducción se requiere: ARNm, Ribosomas, ARNt y aminoácidos activados. El proceso e traducción consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Activación del aminoácido: Este proceso debe ocurrir previamente a la síntesis de proteínas, dado que será quien brindará la energía necesaria para la ocurrencia del proceso, dado que la formación del enlace peptídico es un proceso termodinámicamente desfavorable. Consiste 61

6 en la unión del grupo carboxilo del aminoácido al extremo 3' del ARNt. Esta reacción es catalizada por la enzima Aminoacil-ARNt sintetasa, en una reacción ATP dependiente. Para cada aminoácido existe un ARNt y una enzima de activación específica. Aminoácido + ATP Aminoacil-AMP + PPi Aminoacil-AMP + ARNt Aminoacil-ARNt + AMP Iniciación: en esta etapa comienza la formación del complejo de iniciación mediante la unión del ARNm, la subunidad menor del ribosoma y un aminoacil-arnt iniciador. Posteriormente se realiza la unión de la subunidad mayor del ribosoma completándose de esta manera la formación de dicho complejo. En esta etapa participan también factores proteicos de iniciación. Elongación: se inicia con el acoplamiento de un aminoacil-arnt cuyo anticodón es complementario al codón del mensajero ubicado en el sitio A del ribosoma. En esta etapa se forma el enlace peptídico entre el grupo amino del aminoacil-arnt incorporado y el grupo COOH del aminoacil-arnt iniciador que se encuentra en el sitio P del ribosoma. El dipéptido- ARNt es traslocado al sitio P dejando el sitio A libre para la entrada de otro aminoacil-arnt. Terminación: esta etapa tiene lugar cuando en el sitio A del ribosoma se ubica un codón de terminación (UAA, UAG o UGA). Este codón de terminación no puede ser reconocido por ningún aminoacil-arnt. La entrada de un factor proteico en el sitio A del ribosoma, activa la enzima peptidiltransferasa la cual va a catalizar la ruptura del enlace entre el ARNt y el péptido, provocando la liberación de la cadena polipeptídica seguida por la separación de las subunidades ribosomales. OBJETIVOS Diferenciar la estructura básica de los ácidos nucleicos. Analizar la función biológica de los ácidos nucleicos. Comprender el mecanismo por el cual se produce el flujo de la información genética tanto en organismos procariotas como eucariotas. Resolver problemas de manera tal de poder realizar una integración de los conocimientos adquiridos acerca del tema. Valorar el espíritu de superación, la responsabilidad, cooperación y respeto para el logro de una eficiente labor grupal. GUÍA DE PROBLEMAS 1- El crecimiento de un organismo animal es un proceso que puede ocurrir por dos mecanismos diferentes: aumento en el número de células y aumento en el tamaño celular. Para que el primer proceso ocurra es necesario duplicar la información genética, de manera tal que cada célula hija reciba la misma información genética que la célula madre. Teniendo en cuenta el siguiente fragmento de una molécula de ADN: 5 ATGTTACCGAGGACCTTAATAGGCCTTAGA3 3 TACAATGGCTCCTGGAATTATCCGGAATCT5 62

7 a- realice el proceso de duplicación o replicación de la misma colocando el sentido correspondiente a las hebras nacientes. b- Defina el concepto de duplicación semi-conservativa. c- Explique que es la complementariedad de bases. 2- Teniendo en cuenta la molécula de ADN del ejercicio 1: a) Realice la transcripción de la hebra correspondiente (teniendo en cuenta el sentido de avance de la enzima), indique cuál es el sentido de la hebra naciente. b) Señale cuál será la hebra molde y cuál la codificadora. Justifique su respuesta. c) Que significa que la enzima ARN polimerasa pueda realizar síntesis de novo y que diferencia presenta con la ADN polimerasa. 3- En organismos eucariotas el ARNm antes de salir del núcleo para participar en la síntesis de proteínas, debe sufrir un proceso denominado maduración del ARN. Teniendo en cuenta la molécula de ARNm inmaduro obtenida en el Ejercicio 2, y considerando que los nucleótidos del 7 al 12 inclusive y del 16 al 19 inclusive son intrones, responda las siguientes preguntas: a) Explique que es un codón. b) Explique qué es un exón y qué es un intrón. c) Defina la función de los ARNt. d) Indique cuál será el péptido resultante de la traducción del ARNm maduro. e) Coloque las terminaciones correspondientes a los extremos amino y carboxilo para la protección del ARNm maduro. 4- La siguiente ilustración es un dibujo esquemático de una transcripción y traducción en progreso en E. Coli a) Identifique 1, 2, 3 y 4. b) Indique los extremos 3 y 5 de la hebra molde de ADN. c) Indique los extremos 3 y 5 del ARNm. d) Indique los extremos amino y carboxilo en el péptido más largo. e) Indique con una flecha la dirección en que se mueve la enzima ARN polimerasa. f) Qué parte de este diagrama sería diferente en un eucariota? 63

8 5- Dada la siguiente cadena de ARNm eucariota: AUGUUUAAAGUUACUCCUCGUUGUUGA Indique: a) Cuál será el polipéptido resultante b) Cuál será la cadena del ADN molde c) Cuál será la cadena del ADN codificador d) Cuántos ARNt necesita para sintetizar el péptido resultante y cuáles serán sus anticodones. 6- La siguiente secuencia de nucleótidos corresponde a una porción de un ARNm presente en un organismo procariota: 5... ACUUGUCAUGAGGAGGGACCGCACCUUCAUGUAAGGCAAU...3 Señale: a) Cuál será la molécula de ADN molde a partir de la cual se sintetizó dicho ARNm. b) Cuál será la secuencia de nucleótidos presentes en el ADN codificador. c) Cuál será el péptido resultante. GUÍA COMPLEMENTARIA DE PROBLEMAS 1- Escribir la secuencia de la hélice complementaria para el siguiente decanucleótido perteneciente a una hebra de DNA: 5 CAGTCGTAAT 3 2- A continuación se muestra una secuencia de un segmento de un gen de E. Coli. Escribir las secuencias de todas las moléculas de ARNm que pueden ser sintetizadas a partir de este DNA: 5 ---GGCCGATACGGTAGAGATAG CCGGCTATGCCAT CT CTAT C El segmento dearnm: UUUGAAUGG codifica el tripéptido cuya secuencia es Fen-Glu-Trp. Qué otras secuencias de ARNm pueden codificar a este tripéptido? Explicar porqué? 4- Qué polipéptido será sintetizado a partir de la siguiente secuencia de ARNm por los ribosomas de E. Coli in vivo? 5 -GAUUCCUAGGAGGUUUGACCUAUGCGAGCUUUUAGUUAG-3 5- La molécula de ARNt en una de sus asas tiene una secuencia de nucleótidos denominada anticodón, la cual reconoce por complementariedad de bases el codón del ARNm. Dados los siguientes aminoácidos, indique cuál será uno de los probables anticodones que deberá tener el ARNt que lo transporte. Metionina Treonina Leucina Aspartato Tirosina Glutamina 64