Fundamentos de Biología Molecular: Traducción, Apoptosis, Genética y Replicación del ADN

1. Traducción: Es el paso de la información transportada por el ARNm para la síntesis de una proteína específica. Tiene lugar en los ribosomas.

   • Carga de los ARNt: Se une el aminoácido al ARNt específico, para llevarlo al ribosoma.
   • Iniciación: Los componentes necesarios se ensamblan en los ribosomas. El factor de iniciación 3 se une a la subunidad menor, permitiendo que se una el ARNm. El ARNt iniciador se une al codón de iniciación. Se une la subunidad mayor. El ribosoma queda ensamblado sobre el ARNm.
   • Elongación: Los aminoácidos se unen de uno en uno a la cadena polipeptídica en crecimiento. En el ribosoma completo, un ARNt con carga se une al sitio A, el anticodón se aparea con el codón del ARNm. Se forma un enlace peptídico entre los que están unidos a los ARNt en los sitios P. Traslocación, se mueve el ribosoma dirección 5’-3’ dejando el sitio A libre para otro ARNt.
   • Terminación: La síntesis de proteínas se detiene en el codón de terminación y los componentes de traducción se liberan del ribosoma. Para ello se unen al ribosoma unas proteínas llamadas factores de liberación (RF) que promueven la separación del ARNt del sitio P con la cadena polipeptídica. El ribosoma se disocia.

   Las estructuras más importantes son: Ribosomas con una subunidad mayor y otra menor, aminoácidos, ARNt, ARNm, codón y anticodón, factores de iniciación, factores de elongación, factores de liberación y energía (GTP).

   Genómicas: Errores en la segregación de la meiosis o en la mitosis. Pueden ser poliploidias, aneuploidias o mixoploidias. (Trisomía del par 21, síndrome de Down)

   Cromosómicas: Afectan a la estructura del cromosoma. Pueden ser por deleción, inversión, translocación o inserción. (Translocación robertsoniana)

   Génicas: Producen cambios en la secuencia del ADN. Pueden ser sustituciones, deleciones o inserciones. (Gen crema en caballos)

1. Apoptosis: Muerte celular programada. Es un proceso ordenado por el que las células mueren ante estímulos intracelulares (mitosis incompleta, aumento de radicales libres de oxígeno, aumento de calcio citoplasmático o daños irreparables del ADN) y/o extracelulares (citoquinas, radiaciones, falta de señales hormonales, factores tróficos). Ocurre de forma fisiológica durante el desarrollo de un ser vivo. Las proteínas que intervienen son unas llamadas, caspasas, que producen una cascada proteolítica que culmina con la hidrólisis de proteínas estructurales y enzimas reparadoras de ADN y con la activación de enzimas hidrolíticas como las endonucleasas. Los estímulos extracelulares activan la caspasa 8 y los intracelulares activan las proteínas pro-apoptóticas e inhiben las anti-apoptóticas.

   Código genético:

   • Degenerado: Hay más tripletes que aminoácidos, un aminoácido puede estar codificado por más de un triplete.
   • Universal: El mismo triplete en diferentes especies codifica para el mismo aminoácido.
   • Sin comas: El cuadro de lectura se hace seguido y sin espacios.
   • En tripletes: Cada tres nucleótidos determina un aminoácido.
   • No solapado: Un nucleótido pertenece a un único triplete.

   Base: Sustancias derivadas de anillos que contienen nitrógeno. Pueden ser púricas o pirimidínicas según el anillo del que deriven.

   Nucleósido: Es una base nitrogenada a la que se une una pentosa.

   Nucleótido: Un nucleósido unido a un grupo fosfato.

   Polinucleótido: Unión de los nucleótidos en largas cadenas, mediante enlaces fosfodiéster entre el C3 de uno y el C5 del siguiente.

   ADN: Dos cadenas de nucleótidos unidas por puentes de hidrógeno, entre las bases complementarias.

Tipos de ARN presentes en los eucariotas y su procesamiento

Tipos de ARN presentes en los eucariotas y explica su procesamiento del ARN. ARNs funcionales, que tienen función en la célula, no se traducen a proteína.

• ARN ribosómico: forma parte de los ribosomas de la traducción.
• ARN transferente: transporta los aminoácidos en la traducción.
• ARN nuclear pequeño: interacciona con proteínas para intervenir en el proceso de los transcritos en el núcleo.
• ARN citoplasmático pequeño: interviene en el transporte de los polipéptidos. (Eucariotas)

ARNs informativos: se traducen a proteína.

• ARN mensajero: ARN heterogéneo nuclear: se un pre ARNm. (Eucariotas)

Procesamiento del ARN: Tiene tres fases la iniciación, elongación y terminación. La ARN polimerasa toma el ADN como molde para sintetizar el ARN siguiendo las reglas de complementariedad. No precisa de un cebador para iniciar la síntesis. La subunidad Sigma de la ARN polimerasa localiza el promotor del gen que marca el inicio de la transcripción y se une a la secuencia. Se añade el primer ribonucleótido y se disocia la subunidad Sigma. En la elongación se añaden los sucesivos ribonucleótidos, formando enlaces fosfodiéster y siguiendo la complementariedad de la hebra molde de 5’-3’ para formar el nuevo ARN. La polimerasa va desnaturalizando y naturalizando el ADN molde formando la burbuja de transcripción. La terminación puede ser dependiente del factor Rho o no dependiente. Si es dependiente precisa de la secuencia de terminación, una proteína hexamérica llamada factor rho, se une al ARNm y avanza en dirección 3’ parece que la actividad helicasa favorece la disociación del ARNm. Si no depende del factor Rho, secuencias palindrómicas y uracilos provocan la formación de una horquilla disociando el ARNm del ADN.

Proteínas reguladoras y empaquetamiento del ADN

Proteínas reguladoras de la expresión génica a la secuencia de ADN en procariotas: Las moléculas metabólicas en el medio en su papel de efectores (inductoras o correpresoras) interactúan con proteínas reguladoras específicas para cada sistema (operón o regulón), elemento en trans. Las proteínas reguladoras interactúan con una zona del operón cercana al promotor, elemento en cis.

Empaquetamiento del ADN y la estructura de los cromosomas. El cromosoma funcional consta de tres elementos: Un centrómero, punto de anclaje de los microtúbulos del huso durante la división. A cada lado posee un cinetocoro, que es un complejo proteico. El centrómero es esencial para el movimiento correcto del cromosoma durante la mitosis y meiosis. Se compone de cortas secuencias de pares de bases de ADN que se repiten miles de veces en tándem Un par de telómeros, son los extremos de los cromosomas. Sirven como casquetes que estabilizan el cromosoma. En el proceso de empaquetamiento del ADN tenemos el nucleosoma, que es la cromatina del núcleo y está formado por histonas y ADN. Forman una doble hélice de ADN enrollada sobre sucesivas histonas, que hacen una forma de collar de perlas. Estos nucleosomas al unirse con la H1 (linker) se convierten en cromatosomas. A la H1 se unen las proteínas de andamiaje, que son proteínas no histonas encargadas del plegamiento y empaquetamiento. Los nucleosomas adyacentes se pliegan sobre sí mismos y se empaquetan de forma estrecha para formar una fibra de 30 nm. Estas forman bucles, cada uno anclado en su base a proteínas de andamiaje.

Replicación del ADN en bacterias y eucariotas

Replicación de ADN en bacterias y diferencias con eucariotas.

En procariotas el cromosoma circular tiene un único origen de replicación. Consta de dos puntos de crecimiento. Una proteína iniciadora se une al punto de origen y causa el desenrollamiento. Los puntos de crecimiento se desarrollan dentro del cromosoma circular hasta crear una hélice nueva.

Diferencias: El tamaño del genoma es mayor, por lo que el comienzo de la replicación tiene miles de orígenes. Estos orígenes tienen secuencias que contienen generalmente numerosos pares de bases A-T. Un complejo multiproteico de reconocimiento del origen se une a estas secuencias y se desenrolla el ADN. Existe una coordinación consistente en los lugares donde se une este complejo y su posterior replicación e inactivación para que no se reinicie la replicación hasta el siguiente ciclo celular.

Fases de la transcripción

• Iniciación: la subunidad sigma de la ARN polimerasa reconoce la secuencia del promotor gen y se une a ella. El ARN polimerasa añade el 1º ribonucleótido CAT 5′-3′ enlace fosfodiéster. El factor sigma se disocia.
• Elongación: se van formando enlaces fosfodiéster para la formación de la cadena ARN. La polimerasa va desnaturalizando y renaturalizando el ADN molde, formando la burbuja de transcripción y el desplazamiento del extremo 5′ del híbrido ARN-ADN. Para que se formen correctamente los puentes de hidrógeno, el centro activo de la ARN p. reconoce a los ribonucleótidos trifosfato entrantes.
• Terminación: La enzima, el ADN y el ARNm se separan.
  • No dependientes del factor Rho: secuencias palindrómicas seguidas de varios residuos de adenina (uracilo en ARNm). Se forma una horquilla en el ARNm y la cola de residuos de uracilos favorece que se disocie el ADN del ARN.
  • Dependientes del factor Rho: precisan de la secuencia de terminación, no contienen residuos de uracilo ni rho. La proteína Rho es una proteína hexamérica que reconoce una región del ARNm. Se une a este y avanza en dirección 3′. Cuando llega a la región que reconoce en la burbuja de transcripción, debilita la interacción entre la cadena molde ADN y ARNm.

Traducción

Es el paso de la información transportada por el ARNm para la síntesis de una proteína específica. Tiene lugar en los ribosomas. Los ARNt sirven como enlace entre el ARNm y los aminoácidos de esa proteína. Cada ARNt se une a un aminoácido y lo lleva hasta el ribosoma. Allí el ARNt añade el aminoácido a la cadena polipeptídica. La traducción tiene varias fases:

• Iniciación: componentes necesarios: ARNm, subunidades mayor y menor de ribosomas, grupo de proteínas llamados factores de iniciación, ARNt y GTP. El ARNm se une a la unidad pequeña del ribosoma. El ARNt iniciador se une al ARNm mediante un apareamiento codón-anticodón. La subunidad mayor del ribosoma se une al complejo de iniciación.
• Elongación: los aminoácidos se van uniendo para generar la cadena polipeptídica. Requiere un ribosoma completo, ARNt, varios factores de elongación y GTP. Un ARNt con carga se une al sitio donde se carga el aminoácido. El anticodón se aparea con el codón del ARNm.Formación de un enlace peptídico entre los aa que están unidos a los ARNt en los sitios donde se forma el enlace. Traslocación del ribosoma a lo largo del ARNm en dirección 5′-3′.
• Terminación: la síntesis proteica se termina cuando el ribosoma se trasloca a un codón de terminación. No entra ningún ARNt, en su lugar se unen al ribosoma unas proteínas llamadas factores de liberación que promueven la separación del ARNt del sitio con la cadena polipeptídica. Se libera el polipéptido completo, el ARNm se libera del ribosoma y el ribosoma se disocia.

REPLICACIÓN DEL ADN : Requisitos

• Un MOLDE compuesto por ADN de cadena simple.
• Materia prima (sustratos) que se ensamblarán para formar una cadena de polinucleótidos nueva
• Enzimas y otras proteínas que “leen” el molde y ensamblan los sustratos para formar una nueva molécula de ADN.

HORQUILLA DE REPLICACIÓN: es el punto de desenrollamiento donde se separan las dos hebras de ADN

Para que la síntesis de las 2 cadenas sea simultánea, debe haber 2 unidades de ADN polimerasa III en la horquilla de replicación, una para cada cadena El modelo del proceso de replicación supone que las 2 unidades están conectadas y que el molde de la cadena retrasada da 1 vuelta (formando un bucle) para quedar en una posición adecuada para la replicación 5´- 3´

CADENA LÍDER /CADENA RETRASADA

Las ADN polimerasas solamente sintetizan ADN en la dirección 5´- 3´, por lo que la síntesis de una hebra puede ser continua (cadena líder), pero la otra hebra (cadena retrasada) debe irse polimerizando añadiendo pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki = cebador + ADN sintetizado) La replicación es SEMIDISCONTINUA

Regulación Génica: El Operón Triptófano

Triptófano: es un sistema de tipo represible, ya que el aminoácido triptófano (correpresor) impide la expresión de los genes necesarios para su síntesis cuando hay niveles elevados de triptófano. En ausencia del triptófano o con niveles muy bajos se transcriben los genes del operón trp. La atenuación es un mecanismo que permite detectar los bajos niveles intracelulares del aminoácido. La bacteria responde a las necesidades de ese aminoácido. Este mecanismo depende del acoplamiento que existe en bacterias entre transcripción y traducción. La transcripción se inicia pero no se completa, según la concentración de triptófano en el medio. La región líder del operón trp se caracteriza por tener una sede de reconocimiento para los ribosomas y codones de 14 aminoácidos, entre ellos dos residuos de triptófano.

Nivel de trp alto: la traducción de la primera parte del segmento líder del mensajero impide la transcripción más allá de la estructura secundaria.

Nivel de trp bajo: disminuye la traducción del polipéptido sintetizado por la secuencia líder, permitiendo que la ARN polimerasa transcriba el operón completo.

Si existe suficiente trp en el medio: la ARN polimerasa va transcribiendo el operón trp y detrás de ella los ribosomas comienzan a cubrir la zona del péptido dentro de líder del ARN. Tras traducir la porción 1 del líder, el ribosoma cubre y traduce la porción 2. Mientras tanto, la ARN polimerasa transcribe la 3 y la 4. Al formarse la horquilla 3:4, seguida por la ristra de uracilos, se termina prematuramente la transcripción.

Si el trp es limitante en el medio: La bacteria dispondrá de pocos ARNt cargados con aminoácido. El ribosoma, al llegar a los codones de trp dentro de la porción codificadora del líder, se quedará detenido en la porción 1 debido a que no encuentra el ARNt que introduzca el trp frente a dos codones seguidos para ese aminoácido. La ARN polimerasa transcribe la porción 2, luego la 3 y antes de empezar a terminar con la 4, la 2 y 3 se emparejan. La 4 se queda sin emparejarse. No se forma la estructura secundaria 3:4 seguida de uracilo. No se termina la transcripción, esta continúa y abarca todo el operón trp, y finalmente se sintetizan las enzimas biosintéticas que conducirán a la síntesis del trp.