SÍNTESIS PROTEICA

Basada en la traducción de: gened.emc.maricopa.edu/bio/bioBioBookPROTSYN.html

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Contenidos

Un gen una proteína | La estructura de la hemoglobina | El ARN proporciona la información codificada en el ADN para la secuencia de aminoácidos de la proteína | La Transcripción: produciendo un ARN que copia la secuencia del ADN | El código genético | La síntesis proteica | Redefiniendo el término mutación | Enlaces | Glosario| Indice

ADN IADN III

Un gen una proteína | Contenidos

Durante los años 1930 a pesar de los grandes avances los genetistas tenían muchas preguntas sin respuestas:

Las respuestas de la física, la química y los estudios de los microorganismos y diversas enfermedades dieron origen a lo que hoy se conoce como Biología Molecular. Las reacciones bioquímicas están controladas por enzimas. Las enzimas, están a menudo involucradas en cadenas de reacciones conocidas como Vías Metabólicas. La pérdida de actividad de una enzima puede inactivar todo el ciclo.

Archibald Garrod, en 1902, fué el primero en sugerir , la relación entre enfermedad y metabolismo a través de su estudio de la alcaptonuria , enfermedad en que el individuo elimina por la orina una gran cantidad de ácido homogentísico que le da un color obscuro característico ("alcapto"). El razonó que en los individuos sanos el ácido homogentísico se debía metabolizar a otros productos, razón por la cual no aparecía en orina. Sospechó la existencia de un bloqueo en la vía metabólica y propuso que esa condición era debido a "un error innato del metabolismo". También descubrió que la alcaptonuria se heredaba como un factor Mendeliano recesivo.

George Beadle y Edward Tatum a los fines de los 30s y comienzos de los 40s encontraron la conexión sospechada por Garrod entre genes y metabolismo. Ellos usaron los rayos X para causar mutaciones en una cepa del hongo Neurospora. Esas mutaciones afectaban a un solo gen y a una sola enzima de vías metabólicas específicas. Beadle y Tatum propusieron la hipótesis "un gen una enzima" por la cual ganaron el premio Nobel en 1958.

Dado que las reacciones químicas que ocurren en el cuerpo están mediadas por enzimas, y dado que las enzimas son proteínas, debía existir una relación entre genes y proteínas. George Beadle, en los 40s, propuso que la mutación en el color de los ojos de la mosca de la fruta Drosophila era causada por el cambio de una proteína en una vía biosintética.

En 1941 Beadle y su colaborador Edward L. Tatum decidieron examinar, etapa por etapa, las reacciones químicas en una vía metabólica. Ellos usaron un hongo, la Neurospora crassa, como organismo experimental. Tiene como ventajas un ciclo de vida corto y el hecho de crecer facilmente en laboratorio. Dado que es haploide en la mayor parte de su ciclo vital, las mutaciones se expresan inmediatamente. Los mapeos previos realizados a los cromosomas del organismo facilitaron su trabajo. La Neurospora puede desarrollarse en un medio mínimo, y su nutrición puede ser estudiada por su capacidad para metabolizar azúcares u otros productos, que los científicos pueden agregar o sacar de la mezcla utilizada para su crecimiento. También es capaz de sintetizar todos los aminoácidos que necesita para su crecimiento, por lo tanto las mutaciones en una vía biosintética pueden demostrase fácilmente.

La mutaciones en Neurospora son inducidas por rayos-X y luego, las esporas mutadas se colocan en un medio enriquecido con todos los aminoácidos . Estos cultivo se los compara con medio en el que existe solo uno de los 20 aminoácidos. Si una espora no puede sintetizar un aminoácido, por ejemplo Pro (prolina) solo crecerá en el medio al cual se le haya agregado prolina.

La biosíntesis de aminoácidos (los ladrillos que forman las proteínas) es un complejo proceso con muchas reacciones químicas mediadas por enzimas que si mutan, tornándose inactivas, detendrán la vía biosintética y por lo tanto el crecimiento.

Beadle y Tatum propusieron la hipótesis "un gen una enzima" y, dado que un gen codifica para la producción de una proteína. "Un gen una enzima" ha sido modificado a "un gen un polipéptido" dado que muchas proteínas (como la hemoglobina) están formadas por mas de un polipéptido.


La imágen de arriba es una modificación de:
http://www.whfreeman.com/life/update/.

La estructura de la hemoglobina | Contenidos

Linus Pauling usando electroforésis para separar las moléculas de hemoglobina aportó datos cruciales al problema. La anemia drepanocítica es una enfermedad hereditaria que afecta a la hemoglobina. Pauling razonó que si Beadle y Tatum tenían razón, debería existir una diferencia pequeña, pero detectable, debido a las diferencias genéticas entre la hemoglobina normal (HH) y la de la anemia drepanocítica (hh). Vernon Ingram descubrió que la hemoglobina normal y la patológica solo diferían en un aminoácido de un total de 300.

El ARN "engancha" la información existente en el ADN con la secuencia necesaria para ensamblar los aminoácidos en las proteínas. | Contenidos

El Acido Ribonucleico (ARN) fué descubierto despues del ADN. Recordemos que el ADN se encuentra restringido al núcleo de los eucariotas (como excepción también se encuentra presente en cloroplastos y mitocondrias) y a la región nuclear de los procariotas.

El ARN se encuentra en el núcleo pero también en el citoplasma ( recuerde también que forma parte de los ribosomas ).

Los científicos durante mucho tiempo sospecharon la existencia de una relación entre el ARN y las proteínas.

Las células de los embriones en crecimiento contienen grandes cantidades de ARN. La mitad de la masa de la bacteria E. coli en crecimiento esta formada por ribosomas.

Los ribosomas son 2/3 ARN, un tipo llamado ARN ribosómico (rRNA) y 1/3 proteinas.

En una célula infectada por un virus, el ARN se sintetiza antes del comienzo de la síntesis proteica. Algunos virus, por ejemplo el del Mosaico del Tabaco tienen solamente ARN . Si el ARN extraido de los virus se inyecta en una célula huesped, se síntetizan proteínas virales. Claramente el ARN está relacionado a la síntesis proteica.

El dogma central de Crick o dogma central de la Biología | Contenidos

La información fluye (con la excepción de la transcripcion reversa) del ADN al ARN por vía del proceso llamado transcripción, y luego a la proteína por el proceso de traducción.

Transcripción es el proceso de fabricacion ARN usando el ADN como molde .

Traducción es la construcción de una secuencia de aminoácidos (polipéptido) con la información proporcionada por la molécula de ARN .

El esquema de este "dogma" ha sido encontrada repetidamente y se considera una regla general (salvo en los retrovirus).

El ARN mensajero (ARNm) es el molde para la construcción de la proteina. El ARN ribosómico (ARNr) se encuentra en el sitio donde se construye la proteína: el ribosoma. El ARN de transferencia (tARN) es el transportador que coloca el aminoácido apropiado en el sitio correspondiente.

El ARN tiene el azucar ribosa en vez de desoxirribosa. La base uracilo (U) reemplaza a la timina (T) en el ARN. El ARN tiene una sola hebra, si bién el tARN puede formar una estructura de forma de trebol debido a la complementaridad de sus pares de bases.

La transcripción: haciendo una copia de ARNm de la secuencia de ADN  | Contenidos

La ARN polimerasa abre la parte del ADN a ser transcripta. Solo una de las hebras del ADN (la hebra codificante ) se transcribe. Los nucleótidos de ARN se encuentran disponibles en la región de la cromatina (este proceso solo ocurre en la interfase) y se unen en un proceso de síntesis similar al del ADN.

La imágenes anteriores son de: http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_23.html.

El Código Genético: Traducción del ARN en proteína. | Contenidos

De acuerdo al astrónomo George Gamow el código consiste al menos de tres bases. Para representar 20 aminoácidos un código genético debe consistir al menos de tres letras (triplete). Si uno considera las posibilidades de arreglo de cuatro letras agrupadas de a tres ( 4 x 4 x 4) tenemos 64 posibilidades de palabras a codificar, o 64 posibles codones (secuencia de tres bases en el ARNm que codifica para un aminoácido específico o una secuencia de control).

El código genético fue "roto" por Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei, 10 años despues que Watson and Crick "rompieran" el misterio de la estructura del ADN.

Nirenberg descubrió que el ARNm, independientemente del organismo de donde proviene, puede iniciar la síntesis proteica cuando se lo mezcla con el contenido del homogenado de Escherichia coli . Adicionando poli-U (un ARNm sintético) a cada uno de 20 tubos de ensayo (cada uno de los cuales tenía un aminoácido diferente) Nirenberg y Matthaei determinaron que el codon UUU , el único posible en el poli-U, codificaba para el aminoácido fenilalanina.

La imágen superior fué modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.

Asimismo un ARNm artificial compuesto por bases A y C alternando codifica alternativamente para histidina y treonina. Gradualmente se fué confeccionando una lista completa del código genético.

la imágen superior fué modificada de: http://www.whfreeman.com/life/update/.

El código genético consiste en 61 codones para aminoácidos y 3 codones de terminación, que detienen el proceso de traducción. El código genético es por lo tanto redundante, en el sentido que tiene varios codones para un mismo aminoácido. Por ejemplo, la glicina es codificada por los codones GGU, GGC, GGA, y GGG . Si un codón muta por ejemplo de GGU a CGC, se especifica el mismo aminoácido.

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Síntesis Proteica | Contenidos

La regulación de los genes de los procariotas difiere de la de los eucariotas pero, la de los procariotas es mucho mas facil de estudiar y a ellos se refieren gran partes de los estudios. Los promotores son secuencias de ADN que comienzan señales para la transcripción del ARN. Los terminadores son señales de detención. La molécula de ARNm puede tener de 500 a 10.000 nucleotidos.

Los ribosomas son las organelas de la célula donde se sintetizan la proteínas. Los ribosomas estan formados por una subunidad pequeña (30S) y una subunidad grande (50S) el ARNr difiere en cada uno de ellos. La 30S tiene un ARNr 16S y 21 proteinas diferentes. La 50S consiste en ARNr 23S y 5S y 34 proteínas diferentes.

La imagen superior esta modificada de :http://www.whfreeman.com/life/update/.

La imágen superior fué modificada de : http://www.whfreeman.com/life/update/.

La traducción es el proceso de convertir las secuencias del ARNm en una secuencia de aminoácidos.

El código de iniciación es el AUG que codifica para el aminoácido metionina (Met). La traducción no ocurre si no está el codon AUG, la metionina (en realidad la formil-metionina, f-Met ) es siempre el primer aminoácido de la cadena polipeptídica, y frecuentemente se elimina al final del proceso.

El complejo formado por ARNt/ARNm/subunidad ribosómica pequeña es llamado "complejo de iniciación". La subunidad grande se pega al complejo de iniciación. Luego de esta fase el mensaje progresa durante la elongación de la cadena polipeptídica.



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A menudo muchos ribosomas leen el mismo mensaje y froman una estructura conocida como polisoma. De esta manera la célula puede rápidamente fabricar varias proteinas similares.

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La redefinición del término mutación | Contenidos

Una mutación se definió como cualquier cambio en el ADN (y por lo tanto heredable). Hoy se puede refinar dicha definición: una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN (gen) que resulta en un cambio del aminoácido/s en el polipéptido que codifica dicho gen.

Los alelos son secuencias altermativas del gen que se encuentran en los cromosomas homólogos y por lo tanto , a nivel molecular el producto de los alelos puede ser idéntico o diferir, a menudo en un solo aminoácido, lo que puede tener un efecto significativo sobre el organismo sometido al cambio.

La adición o deleción de un nucleótido puede alterar la estructura del polipéptido.

Las mutaciones puntuales son el resultado del cambio en una sola base.

Mutaciones por cambio del marco de lectura, ocurren cuando se corre (por ejemplo por adición o deleción de una o mas bases) el orden de lectura.

Con excepción de la mitocondria (y esta excepción es discutible), todos los organismos usan el mismo código genético. Esto es una poderosa evidencia de un ascendiente común para todos los organimos vivos.


Enlaces  | Contenidos

*Animación de al TraducciónTranslation From the Gene Zine ; http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/5451/transgif.htm

*Amino Acid AnatomyAnimación de los aminoácidos; http://www.sirius.com/~johnkyrk/aminoacid.html

*Amino AcidsFórmula de los aminoácidos; http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/bio/amino-acids.html

*Síntesis proteica; http://www.cryst.bbk.ac.uk/mirror/prtsynth/page1.html

*Ribosomas; http://server.cs.stedwards.edu/contrib/Chemistry/CHEM43/Ribosomes/Ribosome.HTML

*Síntesis Proteica; http://www.science.wayne.edu/~cunningp/illusIII.html

*The Genetic Code (Whitman College) and modifications. ; http://www.whitman.edu/Departments/Biology/classes/B205/Modules/ExpressionGM/GeneticCodeAA.html

*The Genetic Code (U Texas Med. Center, Tyler); http://pegasus.uthct.edu/ResUTHCT/Investigators/SBlack/geneticd.html

*Codon Usage Database Search for your favorite organism and check out its genetic code; http://www.dna.affrc.go.jp/~nakamura/codon.html.

*DNA and Protein Synthesis (University of Illinois) Nice graphics and text as well as links to additional resources. The color drawings above are from this site; http://www.life.uiuc.edu/bio100/lessons/dna_and_protein_synthesis.html

*The RNA World (IMB Jena, Germany) Links to WWW RNA sites and resources. Lots of very cool images; http://www.imb-jena.de/RNA.html

 


Traducción, redacción y diagramación a cargo de :

Dr. Jorge S. Raisman, lito@unne.edu.ar
Ing. Ana María Gonzalez, anitama39@yahoo.com

Actualizado en Febrero del 2000.

Reproducción autorizada unicamente con fines educativos citando su origen.
Se agradecen comentarios y sugerencias.


Glosario

ADN:

ARN(ácido ribonucleico): Acido nucleico formado por una cadena polinucleotídica. Su nucleótido, consiste en una molécula del azúcar ribosa, un grupo fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina, uracilo, citosina y guanina.

ARN polimerasa: Complejo enzimático que cataliza la síntesis de RNA (transcripción) utilizando como molde la cadena de una molécula de DNA.

Alelo ( del griego allelon = el uno al otro, recíprocamente): Formas alternativas de un gen, se hereda separadamente de cada padre (p.ej. en el locus para el color de ojos puede haber un alelo para ojos azules o uno para ojos. negros. Uno o más de los estados alternativos de un gen.

Aminoácidos (del griego Ammon = dios egipcio cerca de cuyo templo se prepararon por primera vez las sales de amonio a partir de estiércol de camello): Las subunidades (monómeros) que forman las proteínas (polímeros). Cada aminoácido posee por lo menos un grupo funcional amino ( básico) y un grupo funcional carboxilo (ácido) y difiere de otros aminoácidos por la composición de su grupo R.

Anemia drepanocítica: enfermedad peculiar de la raza negra, conocida en África desde hace centurias. Produce, entre otros síntomas: anemia, dolores reumáticos y de abdomen. En 1919 James Herrick notó la forma anormal de los glóbulos rojos en los individuos afectados ( semilunares, en la hipoxia ).  Dado que la enfermedad aparecía en determinadas familias, el estudio del árbol genealógico llevó, en 1941 , a explicarla como el resultado de la homocigotidad a un alelo mutante. En 1951, usando datos familiares complementarios se confirmó la hipótesis de que la enfermedad se heredaba como un factor Mendeliano.

Por la misma época , Linus Pauling y sus colaboradores demostraron que la hemoglobina presente en los glóbulos rojos de los enfermos de anemia falciforme era cualitativamente diferente de la encontrada en los glóbulos rojos normales. Ellos mostraron que las dos diferentes proteínas podían distinguirse por su movilidad electroforética. También demostraron que los glóbulos rojos de individuos heterocigotas para la anemia falciforme, contenían ambos tipos de hemoglobina. Existía por lo tanto, una directa correspondencia entre el genotipo del individuo y las proteínas que se producen. La HbC , que también se observa en la figura, es otra proteína anómala presente en una rara enfermedad llamada anemia dianocítica . Vernon Ingram, en trabajos publicados en 1957 y 1959 demostró que las diferencias entre la hemoglobina de la anemia falciforme (HbS) y la hemoglobina normal del adulto (HbA) era observable a nivel de los péptidos resultantes de la digestión con tripsina de la hemoglobina. . Un análisis cuidadoso de los péptidos mostró que la diferencia en las moléculas residía en un solo aminoácido a nivel de la posición 6 de la cadena de beta-globina. Este fue el primer ejemplo, identificado precisamente de una variante genéticamente determinada de una proteína.

Anticodón: Secuencia de tres nucleótidos en el RNA de transferencia que se emparejan de forma complementaria con un codón específico del RNA mensajero durante la síntesis proteica para colocar un aminoácido concreto en la cadena polipeptídica

Enzima (del griego en = en; zyme = levadura): Molécula de proteína que actúa como catalizador en las reacciones bioquímicas.

Eucariotas (del griego eu = bueno, verdadero; karyon = núcleo, nuez): organismos caracterizados por poseer células con un núcleo verdadero rodeado por membrana. El registro arqueológico muestra su presencia en rocas de aproximadamente 1.200 a 1500 millones de años de antigüedad

Catalizador(del griego katalysis = disolución): Sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química, acelerando la velocidad de la reacción.

Código Genético: Correspondencia entre los posibles tripletes de DNA (o RNA) y los aminoácidos que codifican.

Codón: Triplete de bases de la molécula de DNA (o RNAm) que codifica para un aminoácido específico en la cadena polipeptídica durante la síntesis de proteinas.

Cromatina: Material formado por ácidos nucleicos y proteínas que se observa en el núcleo de la célula en interfase

Cloroplasto: (del griego khloros = verde claro, verde amarillento; plastos = formado) Organela de la célula algas y plantas que posee el pigmento clorofila y es el sitiode la fotosíntesis.

Cromosomas(del griego chroma = color; soma = cuerpo): Estructuras del núcleo de la célula eucariota que consiste en moléculas de ADN (que contienen los genes) y proteínas (principalmente histonas).

Dogma ( del griego dogma = decisión, decreto; derivada del verbo dokei= parece, es decisión de..): 1) definición de las verdades reveladas y propuestas por la autoridad suprema de la Iglesia Católica. 2) Fundamentos, puntos capitales de todo sistema.

Energía de activación: La menor cantidad de energía requerida para que ocurra una determinada reacción química. Varía de reacción en reacción.

Error congénito del metabolismo: Concepto introducido por Garrod en 1902, para referirse a las enfermedades genéticas en las que un déficit enzimático heredado bloquea una vía metabólica causando una patología.

Expresión: En genética, proceso por el cual la información codificada en los genes se convierte en estructuras operacionales presentes en la célula.

Fenotipo (del griego phaineim = mostrar, typos = imprimir, estampar): Características observables de un individuo. La expresión de la composición alélica para un determinado carácter bajo estudio (Lo que se ve).

Genes (del griego genos = nacimiento, raza; del latín genus = raza, origen): segmentos específicos de ADN que controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases de ADN que usualmente codifican para una secuencia polipetídica de aminoácidos.

Haploide (del griego haploos = simple, ploion = nave): Célula que contiene solo un miembro de cada cromosoma homólogo (número haploide = n). En la fecundación, dos gametos haploides se fusionan para formar una sola célula con un número diploide ( por oposición, 2n) de cromosomas.

Hemoglobina  El pigmento rojo de los glóbulos "rojos" de la sangre. Principal responsable, por su capacidad de pegarse al oxígeno, del transporte del mismo . La hemoglobina esta formada por cuatro cadenas polipeptídicas, dos alfa (a) y dos beta. (b)

Interfase: Período del ciclo celular comprendido entre dos divisiones sucesivas.

Metabolismo (del griego metabole = cambio): El conjunto de reacciones químicas que se producen en las células vivas

Mitocondria (del griego mitos = hilo, hebra; chondros = grano, terrón, cartílago): La usina celular.Organelas autorreplicantes, que se encuentran en el citoplasma de la célula eucariota rodeadas por membrana, completan el proceso de consumo de la glucosa generando (por quimiósmosis) la mayor parte del ATP que necesita la célula para sus funciones.

Monómero (del griego monos = uno, solo; meros = parte): Molécula que constituye la unidad que se repite en un polímero.

Mutación (del latín mutare = cambiar): El cambio de un gen de una forma alélica a otra, cambio que resulta heredable.

Nutrición (del latín nutritio: acción y efecto de nutrir): Nutrir: del latín nutrire aumentar la sustancia viva del organismo

Polímero (del griego polys = muchos, meros = parte): Molécula compuesta por muchas subunidades idénticas o similares.

Polipéptido: Polímero formado por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

Procariotas (del latín pro = antes, del griego karyon = núcleo, nuez): Tipo de célula que carece de núcleo rodeado por membrana, posee un solo cromosoma circular y ribosomas que sedimentan a 70 S (los de los eucariotas lo hacen a 80S). Carecen de organelas rodeadas por membranas. Se consideran las primeras formas de vida sobre la Tierra, existen evidencias que indican que ya existían hace unos 3.500.000.000 años

Proteínas: (del griego proteios = primario, del griego Proteo, dios mitológico que adoptaba numerosas formas). Polímeros constituidos por aminoácidos que intervienen en numerosas funciones celulares. Una de las clases de macromoléculas orgánicas que tienen funciones estructurales y de control en los sistemas vivientes. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones peptídicas.

Recesivo: Término que se aplica a un carácter (alelo) que solo se expresa cuando el segundo caracter (alelo) es igual.

Retrovirus (del latín retro = girar hacia atrás): Virus que contienen una sola hebra de ARN como material genético, se reproducen copiando el ARN en ADN complementario usando la transcriptasa reversa. La hebra de ADN es luego copiada y, el ADN bicatenario, es insertado en el ADN de lacélula huésped.

Ribosomas: Pequeñas organelas, compuestas de ARNr (r por ribosómico) y proteínas. Están presentes en el citoplasma de procariotas (70s) y eucariotas (80s). Son el sitio de la síntesis proteica. Esta compuesto de dos subunidades. Los ribosomas de las organelas eucariotas (mitocondrias y cloroplastos) tienen 70 S, es decir son similares a los de los procariotas.

Traducción: Proceso por el que se sintetiza un polipéptido tomando un RNA mensajero como molde. Se lleva a cabo en los ribosomas.

Transcriptasa reversa: Enzima utilizada para su replicación por los retrovirus; copia el ARN del retrovirus en una hebra complementaria de ADN. DNA-polimerasa RNA-dependiente, es decir, complejo enzimático que sintetiza una molécula de DNA tomando un RNA como molde.

Virus (del latín virus = veneno): Agente infeccioso de naturaleza obligatoriamente intracelular para sintetizar su material genético, ultramicroscópico y ultrafiltrable. Constan de un ácido nucleico (ADN o ARN) y un recubrimiento proteico. Entidad no celular, de muy pequeño tamaño. En estado extracelular son inertes.