formas muy diversas de información; de hecho se sabía que hay un gran número de genes y que estos pueden aparecer en distintas formas alélicas.

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1 Publicado en García Sánchez, F.A. y Martínez Segura, M.J. (2003). Estudio práctico de Biopatología. La base biológica de algunos problemas educativos. Murcia: ICE Diego Marín. Del gen a la síntesis de proteínas Tema 13: Del gen a la síntesis de proteínas Genes: ácidos nucleicos. Estructura y función del ADN. Estructura y función del ARN. Información genética y síntesis de proteínas. Regulación génica. OBJETIVOS I. Relacionar la capacidad de reproducción celular con los ácidos nucleicos. II. Establecer diferencias entre la estructura del ADN y la del ARN. III. Conocer la función que los ácidos nucleicos (ADN y ARN) desempeñan en la célula. IV. Comprender el proceso de síntesis de proteínas. V. Conocer mecanismos de regulación génica. CONTENIDOS A DESARROLLAR Naturaleza química de los genes: ácidos nucleicos La característica fundamental de todas las células vivas es su capacidad de reproducción. Y hablamos de una reproducción que se realiza con una fidelidad perfecta, y no una o dos veces sino cientos y miles de veces a través de miles de generaciones. Por ello, el paso más importante de la evolución fue la formación de una molécula con capacidad para autorreplicarse transmitiendo, además, todo un conjunto de informaciones básicas para la vida. Esa molécula hereditaria debía cumplir ciertos requisitos (y nos podríamos estar refiriendo ya a la molécula de ADN o ácido desoxirribonucléico): o Encontrarse en el núcleo, que es donde se encuentran los cromosomas que son los portadores directos de la herencia. o Debía ser capaz de autoduplicarse, ya que los genes poseen esa propiedad. o Deberían de existir varias formas para esa molécula que es portadora de información, ya que existen 131 F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

2 Estudio práctico de Biopatología formas muy diversas de información; de hecho se sabía que hay un gran número de genes y que estos pueden aparecer en distintas formas alélicas. La base que proporciona a las células esta capacidad de división generación tras generación, y siempre dando como resultado sujetos semejantes, comenzó a estudiarse en En esa fecha, Miescher, al estudiar la composición del núcleo celular, aisló un compuesto químico con propiedades ácidas al que denominó nucleína, y que posteriormente pasaría a denominarse ácido nucleico. Sin embargo, no fue hasta 1953 cuando se descubrió que el portador directo de la información genética era el ADN. Los hechos experimentales que apoyan este descubrimiento son: La cantidad de ADN en una determinada célula es constante y no se altera por circunstancias ambientales. La cantidad de ADN está en proporción con la información genética que contiene. La composición del ADN depende de la especie de la que procede. Estructura y función del ADN. El ADN está compuesto de: Cuatro bases nitrogenadas: o Dos purínicas: adenina y guanina. o Dos pirimidínicas: citosina y timina. Un azúcar: la desoxirribosa. Grupos fosfatos. La combinación de la base nitrogenada con el azúcar y los grupos fosfatos constituye una estructura denominada nucleótido, que es la unidad básica del ADN. Cada grupo de 3 nucleótidos forman un codón. C O D Ó N 132

3 Del gen a la síntesis de proteínas La estructura típica del ADN fue propuesta por Watson y Crick (1953), quienes formularon un modelo denominado de doble hélice. En este modelo, consideraron que el ADN tiene una estructura en forma de doble cadena enrollada, con las moléculas de azúcar y fosfatos en el exterior y las bases nitrogenadas en el interior. La importancia del modelo de Watson y Crick radica en el hecho de que explica perfectamente las propiedades del ADN, y en especial su duplicación. Así, las características del modelo son: Cada molécula está compuesta por dos largas cadenas de poli nucleótidos. Las cadenas se aparean de tal modo que una base purínica sólo puede aparearse con una determinada base pirimidínica (en concreto, la adenina con la timina, y la citosina con la guanina). La secuencia de las bases en una cadena puede ser indefinida, pero la otra tiene que ser complementaria a la primera. Durante la duplicación del ADN, las dos cadenas se disocian y cada una sirve de molde para la síntesis de las dos moléculas complementarias. La disociación se produce por los pares de bases nitrogenadas que se separan quedando unida a cada hebra una de las bases de cada par. En el lenguaje genético el nucleótido sería la letra, el codón se considera como la palabra, y el gen, que está formado por tripletes de nucleótidos (codones) que difieren de los de otros genes, sería la frase. Estructura y función del ARN. Puesto que la mayoría de las funciones bioquímicas de la célula tienen lugar en el citoplasma y, sin embargo, es en el núcleo donde se contiene el ADN que es el portador de la información precisa para el funcionamiento celular, se hace necesario que la información de la molécula de ADN salga al citoplasma. Esta salida de información genética del núcleo al citoplasma se realiza a través de una molécula especial denominada ARN mensajero, la cual está compuesta por una sola hebra y consta de: o Cuatro bases nitrogenadas: Dos purínicas: adenina y guanina. Dos pirimidínicas: citosina y uracilo (el cual sustituye a la timina que encontrábamos en el ADN). 133 F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

4 Estudio práctico de Biopatología o Un azúcar: la ribosa. o Grupos fosfatos. Así pues, las diferencias del ARN con el ADN son: En el ARN se sustituye timina por uracilo. El ARN está formado por una sola hebra, por lo que no existe el complemento sobre una base purínica y otra pirimidínica. La ribosa (un azúcar más simple) sustituye a la desoxirribosa. Mientras que el ADN contiene muchos genes, el ARN copia la información de sólo un fragmento de ADN (el ARN no es una copia sencilla de todo el ADN), precisamente el correspondiente a la información genética que la célula necesita. Todas estas diferencias hacen al ARN algo mucho más simple que la doble cadena de ADN y, por tanto, le capacita para salir al citoplasma atravesando la membrana nuclear. Una vez formada la hebra de ARN simple en el núcleo celular, por medio de sistemas de síntesis dependientes del ADN, sale al citoplasma para alcanzar la ribosoma y producir la síntesis proteínica a través de su mensaje genético (de ahí que le llamemos ARN mensajero). Como es lógico, a la vez que se ha formado el ARN mensajero se crea una segunda hebra, denominada ARN de transferencia, que consiste en la cadena complementaria de ese ARN mensajero. Esta segunda hebra de ARN (ARN de transferencia), también sale al citoplasma celular. Función de los ácidos nucleicos. Transcripción de la información genética y síntesis proteica. Hemos visto anteriormente que el responsable directo de la herencia es el ADN, y que, a su vez, el ADN por sí solo no puede transmitir la información al resto de la célula, ya que no puede salir del núcleo celular. Para realizar esta última función, el ADN se ayuda del ARN en sus dos tipos fundamentales: ARN mensajero y de transferencia. A partir del conocimiento del ADN y del ARN y del papel que juegan ambos ácidos nucleicos en la transmisión hereditaria, vamos a estudiar ahora como se pone de manifiesto esa información genética. Para ello, es necesario que conozcamos un poco lo que son las proteínas y la importancia biológica de éstas, pues la finalidad del ADN y del ARN es, precisamente, dar lugar a la aparición de proteínas: la síntesis proteica. Qué son las proteínas? Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en el organismo (el 50% del peso en seco del organismo corresponde a proteínas). Sus dos funciones principales en el organismo son: o Determinar la estructura del organismo. o Proporcionar la función celular. 134

5 Del gen a la síntesis de proteínas Así pues, dependiendo de su función biológica, podríamos dividir las proteínas en dos grandes grupos: Enzimáticas: Son las enzimas, que actúan como catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en las células, por ejemplo regulando la rapidez de los procesos químicos, o simplemente que éstos se den o no. Estructurales: Actúan como elementos estructurales, proporcionando la morfología y estructura del organismo, por ejemplo el colágeno, que interviene en la constitución del tejido conjuntivo y óseo. Ambas funciones se producen, no porque las proteínas existen ya en la célula, sino porque las proteínas se elaboran a partir de la información que contiene el ADN y en función de las necesidades de las propias células. Según lo que llevamos dicho, las proteínas pueden considerarse el eslabón intermedio entre la información genética y la manifestación de esa información genética. El ADN y el ARN nuclear van a proporcionar a las células las proteínas necesarias para tener una estructura y función determinada. Esta propiedad va a dar lugar a que aparezcan tejidos y órganos determinados, y el conjunto de estos tejidos y órganos va a dar lugar a un organismo determinado. Proceso de síntesis proteica a partir del ADN. Las proteínas están formadas por unidades denominadas aminoácidos, los cuales al unirse entre sí dan lugar a una cadena proteica. Cada proteína puede contener un número determinado de un conjunto de 20 aminoácidos distintos, los cuales combinados dan lugar a diferentes proteínas. Este conjunto de aminoácidos es el siguiente: ALA: alanina ARG: arginina ANS: asparagina ASP: ácido aspártico CYS: cisteína GLU: ácido glutámico GLN: glutamina GLY: glicina HIS: histidina ILE: isoleucina LEU: leucina LYS: lisina MET: metionina PHE: fenilalanina PRO: prolina SER: serina THR: treonina TRY: triptófano TYR: tirosina VAL: valina Los llamados aminoácidos esenciales constituyen un conjunto de ocho aminoácidos que el organismo humano no puede sintetizar y debe ingerir necesariamente en la dieta (en concreto son: isoleucina, treonina, leucina, triptófano, lisina, metionina, valina y fenilalanina). Ahora bien, sabiendo qué es una proteína y que está formada por aminoácidos, veamos cómo se forma una proteína a partir de la información genética contenida en el ADN. El modelo de Watson y Crick de la molécula de ADN supone que la información genética es transmitida por nucleótidos, pero en un principio no se conocía el mecanismo exacto por el que se producía. Se sabía que existían cuatro tipos de nucleótidos en el ADN (adenina, timina, citosina y guanina), y que a partir de esos nucleótidos se tenían que organizar los 20 aminoácidos para dar lugar a las proteínas. 135 F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

6 Estudio práctico de Biopatología Estaba claro que cada nucleótido no podía nombrar un aminoácido, pues solamente podríamos nombrar 4 aminoácidos (la relación entre nucleótidos y aminoácidos no podía ser de 1:1). Tampoco la combinación de 2 nucleótidos era la solución, ya que la combinación de 4 elementos (las 4 bases nitrogenadas) tomados de 2 en 2 da lugar a 16 posibles combinaciones, con lo cual seguirían faltando 4 aminoácidos por nombrar. Sin embargo, la combinación de 4 elementos tomados de 3 en 3 da lugar a 64 combinaciones, lo cual sí podría ser, ya que sólo hay que nombrar 20 aminoácidos. Y así se dedujo que cada aminoácido estaría determinado por tres nucleótidos o, lo que es lo mismo, por la combinación de tres bases nitrogenadas; de tal forma que varias combinaciones de tres nucleótidos podrían representar al mismo aminoácido. La mayor parte de las investigaciones en este terreno han apoyado la tesis de que el código genético es triple, es decir, compuesto por tres nucleótidos adyacentes. Ya dijimos que a este triplete la llamamos codón, y cada codón especifica un determinado aminoácido. Es importante señalar que cada nucleótido sólo forma parte de un codón. Así pues, a partir de la información que contiene el ADN en codones se produce el ARN mensajero y de transferencia, formados a partir de una tira de ADN. Estas tiras sencillas de ARN abandonan el núcleo y pasan al citoplasma. Una vez en el citoplasma, la ribosoma se desplaza por el ARN mensajero que contiene el mensaje de la proteína que ha de producirse. Mientras, el ARN de transferencia contribuye a traducir a proteína ese mensaje, para lo cual va añadiendo aminoácidos de uno en uno a la cadena en formación a medida que la ribosoma recorre la cadena del ARN mensajero (no en vano el ARN de transferencia es el complemento del ARN mensajero y, por tanto, el código genético es fácilmente traducible). 136

7 Del gen a la síntesis de proteínas Regulación de la actividad de los genes. Evidentemente, los genes no funcionan a plena actividad desde el momento de la concepción, sino que se "conectan y desconectan" a lo largo del desarrollo, tanto antes del nacimiento como después o, al menos, está controlada en cada momento su tasa de funcionamiento. Debe existir, por tanto, algún mecanismo responsable de la regulación del momento y de la tasa de producción de proteínas. En general podemos decir que un gen está compuesto, entre otras cosas, por una serie de segmentos discontinuos de ADN de dos tipo: Exones: secuencias de ADN codificante (con información para producir proteínas; Intrones: secuencias que aunque se transcriban en ARNm son eliminadas antes de salir del núcleo y, por tanto, no sirven para producir proteínas. En algunos casos, estos intrones regulan la transcripción genética (el paso de ADN a ARNm). De hecho, hoy sabemos que la única función de un gran número de genes es regular la trasncripción de otros genes en lugar de codificar proteínas. Esa regulación génica se puede producir a corto plazo y ser sensible al entorno celular y a las necesidades inmediatas de las células generadas por su propio funcionamiento. Para poder entenderlo gráficamente sólo tenemos que pensar que muchos genes incluyen secuencias reguladoras (intrones) que normalmente impiden o inhiben la trascripción de la secuencia estructural del gen, precisamente aquella que puede sintetizar proteínas (exones). Pero esas secuencias reguladoras son sensibles al entorno y si en el medio celular aparecen determinadas moléculas (que denominaremos moléculas reguladoras o factores de transcripción), éstas pueden unirse a las secuencias reguladoras que quedan así inactivas. Y desde ese momento las secuencias reguladoras (ahora inactivas) dejan libre al gen estructural para que se transcriba en ARNm. A pesar de la simplificación con la que lo hemos explicado, lo cierto es que el fenómeno de regulación génica es complejo. No en vano se piensa que hay mucho más ADN con función reguladora (intrones) que genes estructurales con capacidad para codificar proteínas (exones). Y es curioso que, a pesar de ello, la genética molecular siempre ha estado más preocupada por el estudio de los genes estructurales. En cualquier caso, lo importante es entender que muchas secuencias genéticas regulan la transcripción de esos genes estructurales en respuesta a factores ambientales externos e internos a la célula. La actuación conjunta de diversos mecanismos de regulación de este tipo es la que determina, en cada momento, el aumento o disminución final del nivel de transcripción a ARNm de un determinado gen estructural. 137 F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

8 Estudio práctico de Biopatología Secuencia reguladora ADN Gen estructural No transcripción a ARNm Factor de transcripción (molécula reguladora) Gen estructural Transcripción ARNm 138

9 Del gen a la síntesis de proteínas PROPUESTAS DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD 1: Intenta representar una secuencia, partiendo de los ácidos nucleicos y siguiendo los pasos que se dan, hasta constituir el organismo determinado. Para ello, completa el siguiente esquema secuencial escribiendo dentro de cada óvalo el término correspondiente y dentro de cada rectángulo la definición que más se ajuste. : ORGANISMO, PROTEINAS, ADN, CÉLULAS, ARN, TEJIDOS. Elemento vivo más pequeño del organismo. Contiene la información genética. Conjunto de órganos y tejidos. Transcribe y transporta la información. Proporcionan las bases estructurales y funcionales de las células. Agrupamiento de células. 139 F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

10 Estudio práctico de Biopatología ACTIVIDAD 2: Relaciona cada uno de los siguientes conceptos con su definición y completa esta información cuando sea preciso. ADN ARN Proteína Proteína enzimática o enzima Proteína estructural Nucleótido Codón Intrones Exones Transcripción génica Factor de transcripción o Metabolito regulador Secuencias... de ADN, situadas cerca del gen estructural o insertadas en él, encargadas de evitar la del gen en ARN para la... de las proteínas necesarias. Tipo de proteínas... de formar parte integrante de las estructuras..., dándoles forma y consistencia. Elemento mínimo con significado dentro del código... del ADN (la palabra de dicho código), cuyo significado consiste en nombrar un determinado aminoácido. Tipo especial de proteína encargado de... reacciones químicas que han de... en la célula, actuando para ello como catalizadores de dichas... químicas. Nombre que reciben determinadas... cuya presencia en el interior de la célula bloquea las secuencias de intrones posibilitando así la... de determinados genes estructurales (exones) en ARN. Acido desoxirribonucleico; única... conocida capaz de autorreplicarse y capaz, además, de... distinta información a través del lenguaje o código genético. M... compleja formada por una cadena de aminoácidos... por enlaces especiales, la cual tiene propiedades fundamentales para la vida al formar parte de las... celulares y participar en el control de su funcionamiento. Ácido ribonucleico; copia sencilla de un fragmento de ADN correspondiente a una información... determinada. Proceso de copia de la secuencia codificante de ADN (exón o gen.) en ARN para la síntesis de Secuencias de ADN que portan o codifican la... necesaria para la síntesis de una determinada... enzimática o estructural. Denominación que recibe la unidad... del código... (la letra de dicho código) en el ADN; formado por la unión de una base nitrogenada al azúcar (desoxirribosa) y a un grupo

11 Del gen a la síntesis de proteínas ACTIVIDAD 3: Construir un mapa conceptual o esquema en el que se recojan las principales ideas o conceptos que se han trabajado a lo largo de este tema. A continuación te ofrecemos algunos de estos conceptos, a partir de ellos y añadiendo otros organiza todas las ideas que se han visto en el tema. ADN Doble cadena Ribosomas Aminoácidos Mensaje Proteína ARN mensajero Codón Citoplasma Código genético Nucleótido ARN de transferencia Núcleo Desoxirribosa Autoduplicación Grupo fosfato Base nitrogenada Ribosa Copia F.A. García Sánchez M.J. Martínez Segura

12 Estudio práctico de Biopatología FUENTES DOCUMENTALES Bibliografía recomendada Plomín, R. DeFries, J.C., McClearn, G.E. y McGuffin, P. (2002). Genética de la Conducta. Barcelona: Ariel (4ª Ed.). Cap. 4: El ADN: la base de la herencia (pp ). Bibliografía para ampliación Caminero, A.A., de Blas, M.R., Ambrosio, E. y de Pablo, J.M. (1998). Genética molecular (pp ). En A. Abril, E. Ambrosio, M.R. de Blas, A.A. Caminero, A.A., J.M. de Pablo y E. Sandoval (Eds.). Fundamentos biológicos de la conducta. Madrid: Sanz y Torres. Solari, A. (1999). Genética Humana. Madrid: Médica-Panamericana (2ª Ed.). Cap. 3: El material genético: ADN y cromosomas (pp ) Cap. 4: Información genética (pp ). CUESTIONES PARA LA VALORACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Señala 6 características del ADN que justifican su importancia como molécula hereditaria básica. Define y relaciona los conceptos de nucleótido, codón y gen. Qué diferencias claves existen entre el ARN y el ADN y cuales son sus consecuencias? Qué son las proteínas y cuales son sus funciones básicas? Resume el proceso de síntesis de proteínas a partir del código genético. Resume las diferencias entre exones e intrones y el proceso de regulación génica. 142