Del ADN a las Proteínas: Flujo de Información Genética y Biotecnología

Proteínas y Genes

No todas las proteínas son enzimas. Algunas proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica. Un gen contiene la información para la síntesis de una cadena polipeptídica.

Organismos Procariotas y Eucariotas

Procariotas

El genoma de los organismos procariotas está formado por un solo cromosoma circular. La información genética de cada gen se traduce en la formación de una proteína.

Eucariotas

El ADN se encuentra en el núcleo y constituye el genoma nuclear, más complejo que el de los procariotas. Presenta mayor cantidad de ADN, presencia de ADN repetitivo, genes fragmentados en porciones llamadas intrones y exones, y el ADN está asociado con proteínas llamadas histonas.

Flujo de Información Genética

El ADN contiene información para que los aminoácidos se unan y formen proteínas. Como el ADN no sale del núcleo, el ARNm actúa como intermediario en un proceso llamado transcripción. Con la información del ARNm se sintetiza una cadena polipeptídica en la traducción, que ocurre en los ribosomas. En este proceso intervienen el ARNr y el ARNt.

Debido a la complementariedad de bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir al ARNm, que luego se traducirá.

Síntesis del ARN: Transcripción

Ocurre en el núcleo y requiere:

• Una cadena de ADN que actúe como molde.
• Enzimas ARN polimerasas que catalizan el proceso.
• Ribonucleótidos trifosfatos de adenina, guanina, citosina y uracilo, que se unen mediante enlaces éster.

Etapas de la Transcripción:

Iniciación:

Comienza cuando la ARN polimerasa reconoce el ADN que se va a transcribir. La ARN polimerasa hace que la doble hélice del ADN se abra para exponer la secuencia de bases y permitir la incorporación de ribonucleótidos.

Elongación:

Adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la cadena de ADN y lo une mediante un enlace éster al siguiente nucleótido. En eucariotas se añade en el extremo 5′ una caperuza, señal de inicio de lectura.

Terminación:

La ARN polimerasa reconoce en el ADN señales de terminación. En procariotas la señal es una secuencia de bases palindrómica. En eucariotas la ARN polimerasa transcribe regiones de ADN largas. La señal de corte es una secuencia AAUAAA llamada señal de poliadenilación.

Esquema de la Transcripción:

1. La ARN polimerasa se une al promotor, la doble hélice del ADN se desenrolla y comienza la transcripción.
2. Final de la transcripción.
3. La polimerasa sigue transcribiendo durante algún tiempo y después se separa.
4. Procesos postranscripcionales.

Maduración del ARN

Procariotas:

El ARN puede ser directamente traducido para formar una proteína funcional. Cuando se transcribe el ADN que codifica los ARNt y ARNr se forma una larga molécula de ARN, llamada transcrito primario, que luego se corta en fragmentos más pequeños.

Eucariotas:

Los genes que codifican las proteínas están fragmentados y el ARNm transcrito primario está formado por intrones y exones. Su maduración consiste en eliminar intrones y unir exones (splicing) con la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear.

Traducción

Se necesitan:

• Ribosomas, donde se realiza la síntesis proteica.
• ARNm que lleva información para sintetizar cada proteína.
• Aminoácidos, componentes de proteínas.
• ARNt, que aporta los aminoácidos en el orden preciso.
• Enzimas y energía.

La traducción se realiza en los ribosomas, divididos en dos subunidades. En la subunidad pequeña se une el ARNm, mientras que en la subunidad grande se ensamblan los aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. El ARNt transporta los aminoácidos al ribosoma.

Zonas relevantes del ARNt:

• Anticodón: formado por tres bases nitrogenadas complementarias con el codón del ARNm.
• Extremo 3′: lugar de unión al aminoácido que corresponde al codón que reconoce ese ARNt.

Activación de los aminoácidos:

Consiste en la unión del aminoácido con el ARNt que le corresponde. Intervienen enzimas aminoacil-ARNt-sintetasas, requiriendo energía aportada por el ATP.

Etapas de la Síntesis de Proteínas:

Iniciación:

Se inicia cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un codón iniciador. Un primer aminoacil-ARNt entra en el sitio P del ribosoma.

Elongación:

Alargamiento de la cadena proteica. Un segundo aminoacil-ARNt entra en el sitio A del ribosoma. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el nuevo aminoácido del sitio A. La reacción la cataliza la enzima peptidil transferasa. El ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado y por el otro a su codón. A continuación se produce la translocación del ribosoma.

Terminación:

Tiene lugar cuando el ribosoma llega al codón de terminación, reconocido por factores de liberación proteicos situados en el sitio A. Una vez completada la traducción, la proteína formada, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma.

Biotecnología e Ingeniería Genética

La biotecnología utiliza organismos vivos o sus componentes para obtener productos útiles. Estos productos se obtienen por procesos de fermentación microbiana. La ingeniería genética, en cambio, permite manipular genes, modificándolos, logrando organismos transgénicos.

Técnicas de Ingeniería Genética:

• Obtención de ADN recombinante
• Clonación del ADN
• Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
• Secuenciación del ADN

Obtención de Fragmentos de ADN

Se corta la molécula de ADN por lugares concretos para unir los fragmentos obtenidos con ADN de otra fuente, obteniendo ADN recombinante. Esto se logró gracias al descubrimiento de las enzimas de restricción.

Fases:

1. La enzima de restricción corta por el sitio de restricción.
2. Se añade el ADN exógeno cortado con la misma enzima de restricción.
3. La ADN ligasa cataliza la unión de las dos cadenas.

Formación de ADN Complementario por Hibridación

El ADN es estable, pero se pueden separar las dos hebras que lo forman alterando el pH o la temperatura (desnaturalización). Los enlaces de hidrógeno se rompen y quedan dos hebras simples. Este proceso es reversible (renaturalización). Se puede conseguir que dos hebras de distinta procedencia hibriden. Las técnicas de hibridación sirven para detectar secuencias complementarias, localizar genes relacionados en distintas poblaciones, diagnosticar enfermedades genéticas, etc.

Clonación del ADN

La clonación de ADN consiste en producir múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de ADN. El organismo hospedador debe ser de crecimiento rápido, no patógeno, debe favorecer la entrada del transgén y ser manipulable. Para incorporar el gen en el hospedador se utilizan vectores de clonación, que deben llevar su propio origen de replicación. Algunos ejemplos son:

• Plásmidos (ADN bicatenario y circular)
• Bacteriófagos
• Cósmidos

Fases de la Clonación:

1. Se insertan uno o más genes marcadores en el plásmido que se utiliza como vector.
2. Se aísla el ADN humano y el plásmido, y se cortan con la misma enzima de restricción. El ADN humano se rompe en múltiples fragmentos.
3. Se mezclan los fragmentos de ADN humano con los plásmidos cortados.
4. Se mezclan los plásmidos con bacterias que portan en el gen lacZ una mutación que les incapacita para hidrolizar lactosa.
5. Se siembran las bacterias sobre una placa de Petri. Se incuban hasta que proliferen las bacterias y se formen colonias visibles.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

Técnica que permite amplificar una muestra muy pequeña de ADN.

Proceso de Amplificación mediante PCR:

se necesita una muestra de ADN, una secuencia nucleótidos, una fuente de calor, ADN polimerasa resistente al calor y nucleótidos para formar nuevas entradas de ADN. El proceso se desarrolla por ciclos en cada uno de ellos le suceden tres etapas: uno desnaturalización: se calientan los productos reaccionantes, se desnaturalizan ADN y cada una de las cadenas simples sirve de molde para sintetizar una nueva cadena complementaria. 2 hibridación. Se enfría la mezcla de reacción para permitir que los cebadores se unan  mediante enlaces de hidrógeno a los extremos de las hebras de ADN. 3 extensión: se forman las nuevas cebras de ADN gracias a la acción de la tac- polimerasa, Que agrega nucleótidos en el extremo 3′ del cebador. Al final del primer ciclo se obtienen 2 moléculas de ADN, que hacen otrociclo para ser 4. Cada ciclo dura  cinco minutos y con 20 ciclos se obtiene 😉