Los ácidos nucleicos, estructura y función Algo de historia
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http://images.clinicaltools.com/images/gene/codontable.jpg La tabla del código genético es universal y permite conocer a partir de la secuencia del ARN mensajero cómo será la secuencia de la proteína para la cual el gen correspondiente codifica. Así, la secuencia ATG (AUG en el ARNm) codifica para el aminoácido metionina, y el codón TTT (UUU en el ARNm) codifica para el aminoácido fenilalanina en todos los organismos vivos. Como sólo existen 20 aminoácidos en la naturaleza, varios codones pueden codificar para el mismo aminoácido (por ejemplo, al aminoácido glicina le corresponden los codones GGU, GGC, GGA y GGG). Cada codón del ARNm es leído por otro ARN, llamado ARN de transferencia (ARNt), que actúa como un “adaptador” entre la información que lleva el ARNm y los aminoácidos que deben ir colocándose para formar la proteína correspondiente. El ARNt es muy pequeño comparado con los ARNm y tiene una secuencia, denominada anticodón que aparea (es decir, es complementaria) con el codón. Cada ARN de transferencia tiene un anticodón y “carga” un aminoácido en particular. Por ejemplo, el ARNt que tiene el anticodón UCA, se aparea al codón AGU, y carga el aminoácido serina (Ser). De la misma manera, el ARNt que carga tirosina (Tyr) se aparea, a través de su anticodón, con el codón UAC. Así se va formando una cadena polipeptídica (proteína) a medida que los anticodones de los ARNt reconocen sus respectivos codones en el ARNm. Este proceso de síntesis proteica ocurre en los ribosomas. ¿Qué son las mutaciones? A veces, y este es un fenómeno relativamente frecuente, la enzima que se encarga de la replicación del ADN (ADN polimerasa) se equivoca, es decir, coloca un nucleótido en lugar de otro. Si, por ejemplo, la enzima ADN polimerasa coloca una T en lugar de una A podría ocurrir que al traducirse, se coloque en la proteína un aminoácido diferente del que correspondería. Por lo tanto, la proteína generada sería diferente en un aminoácido a la original. Este cambio en el ADN, llamado mutación, podría alterar o anular la función de la proteína. Este ejemplo ilustra el efecto de los cambios o mutaciones puntuales (debidos a un único cambio en la secuencia) en la proteína final. En algunos casos las mutaciones pasan inadvertidas, pero también pueden provocar la falta de actividad de una proteína esencial y causar una enfermedad. De todas formas, la mayoría de las mutaciones no se manifiestan, o porque están en regiones del ADN donde no hay genes, o porque no cambian el aminoácido, o porque ese cambio no altera la función de la proteína. O bien podría alterarse la función y esto no resultar perjudicial. Tal es el caso del carácter color de ojos, donde el color claro se produce por falta de ciertas enzimas que fabrican los pigmentos del iris. En realidad, las mutaciones son la base de la biodiversidad. Es decir que las pequeñas diferencias en el ADN es lo que determina que los seres vivos sean diferentes entre sí. Esta diversidad en las características sumada a la existencia de un código genético común entre los seres vivos, son dos hechos determinantes en el desarrollo de la biotecnología moderna. El ADN y la biotecnología moderna Cuando los científicos comprendieron la estructura de los genes y cómo la información que portaban se traducía en funciones o características, comenzaron a buscar la forma de aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta de transferirlos de un organismo a otro para conferirle una nueva característica. Justamente, de eso se trata la ingeniería genética, a la que podríamos definir como un conjunto de metodologías que nos permite transferir genes de un organismo a otro, y que dio impulso a la biotecnología moderna. La ingeniería genética permite clonar (multiplicar) fragmentos de ADN y expresar genes (producir las proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. Así, es posible obtener proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos, y obtener proteínas que utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración. Todo empieza en el ADN La información genética está almacenada en moléculas de ADN (ver cuadernos nº 3, 32, 65). Esta información se transmite mediante un flujo unidireccional, que va del ADN hacia el ARN y de éste a las proteínas. Este enunciado constituye el Dogma Central de la Biología (ver cuadernos nº 3, 32, 100) y fue expresado por el científico inglés Francis Crick, famoso además por proponer junto a James Watson un modelo de estructura para el ADN y por ganar el Premio Nobel en 1962 por ese trabajo.  Figura 1: Dogma Central de la Biología. El flujo de información genética es unidireccional y va desde al ADN hacia las proteínas. Fuente: ArgenBio El dogma enuncia lo siguiente: cuando en una célula se requiere la síntesis de una proteína específica, la porción de ADN que la codifica será copiada en forma de ARN, mediante un proceso denominado transcripción. Luego el ARN formado, que se denomina ARN mensajero, es utilizado como molde para la síntesis de proteínas por un mecanismo llamado traducción. Esta información finalmente llega de manera unidireccional a las proteínas, y son ellas quienes llevan a cabo la mayor parte de las actividades celulares. Utilizando un vocabulario informático, se podría decir que el ADN representa el software (instrucciones que las células reciben de sus progenitores), mientras que las proteínas constituyen el hardware (aparato físico que ejecuta el programa almacenado en la memoria). Actualmente, y aunque se sigue respetando este dogma como una generalidad, se sabe que hay excepciones para este postulado (retrovirus, ARN con actividad catalítica, etc.; ver cuadernos nº 3 y 115). La síntesis de proteínas, paso a paso Denominamos, entonces, síntesis proteica al mecanismo por el cual la información contenida en el ADN (ver cuadernos nº 3 y 32), se traduce en proteínas. Es un proceso complejo, que se realiza en distintos compartimientos celulares, en el que intervienen variadas moléculas y que se produce básicamente en dos pasos: Paso 1: La transcripción La transcripción ocurre dentro del núcleo celular (en las células eucariotas), y en el citoplasma en las procariotas . En esta primera etapa los genes, que serían “palabras” escritas en el ADN mediante la combinación de cuatro “letras” o nucleótidos A, T, C y G, se copian o transcriben a otro lenguaje, el del ARN denominado ARN mensajero (ARNm). En este proceso, denominado transcripción, la síntesis de una molécula de ARNm es catalizada por una enzima llamada ARN polimerasa (ARNpol). El proceso se inicia cuando dicha enzima reconoce un lugar específico del ADN llamado promotor. Luego de unirse al promotor, la ARNpol desenrolla aproximadamente una vuelta completa de la hélice del ADN poniendo al descubierto un fragmento de una sola hebra. Esta hebra de ADN, llamada hebra codificante, sirve de molde para que la ARNpol vaya agregando nucleótidos complementarios uno tras otro, a medida que se desplaza en una dirección específica sobre el ADN (Figura 2). Los nucleótidos que adiciona la ARNpol para formar el ARNm son ribonucleótidos, es decir, nucleótidos que poseen en su estructura el azúcar ribosa (a diferencia de la desoxirribosa presente en los nucleótidos del ADN). Además, la complementariedad de nucleótidos se realiza de la siguiente manera:
Tabla 1: Apareamiento de nucleótidos que realiza la ARNpol para sintetizar el ARNm a partir de la hebra molde del ADN. En la tabla se puede ver que en el ARNm no existen las bases Timina (T), y son reemplazadas por la base U o Uracilo. La enzima seguirá transcribiendo hasta que encuentre la señal de terminación que le indica que allí debe detenerse (ver figura 2). Tan pronto como se ha completado la copia de ARNm, la hélice original de ADN se pliega nuevamente, y la molécula de ARNm se separa.  Figura 2: Proceso de transcripción. A partir del ADN doble cadena, la enzima ARN polimerasa sintetiza un ARN mensajero simple cadena. Fuente: http://www.geosfera.es/monograficos/DNA/Adn/14-25.jpg Una vez finalizada la transcripción, el ARNm está casi listo para la siguiente etapa. Pero aún esta “inmaduro” y para madurar debe ser protegido de manera de evitar que pueda degradarse en su viaje al citoplasma. Para ello, unas enzimas específicas se encargan de ponerle una “caperuza” o CAP en uno de sus extremos y una cadena corta de adeninas (colita de poliA) en el otro. Una vez completada la maduración (que involucra otros procesos que aquí no mencionamos), el ARNm parte hacia el citoplasma a través de los poros de la membrana nuclear en las células eucariotas. Paso 2: La traducción de proteínas o síntesis de proteínas Una vez en el citoplasma, la secuencia del ARNm debe ser decodificada a proteína. Este es el proceso de traducción y puede dividirse en tres fases: iniciación, elongación y terminación (Figura 3)  Ampliar Imagen Figura 3: Proceso de traducción. A partir del ARN mensajero y mediante un complejo mecanismo, se sintetizan las proteínas Fuente: http://www.monografias.com/trabajos/ sinteproteinas/Image172.gif -Iniciación: en este punto es importante destacar que la forma en que el ARNm es leído es diferente a lo sucedido en la transcripción, ya que en la traducción los nucleótidos del ARNm son leídos de a tres, es decir que un triplete de nucleótidos, también llamadocodón, codifica para un aminoácido determinado. Es decir que cada codón determina qué aminoácido se agregará a la futura proteína. La traducción se inicia cuando el ARNm se une a una organela celular compleja denominada ribosoma. Los ribosomas están formados por dos subunidades, una mayor y otra menor, y es esta última la que reconoce y se une en primer lugar al ARN mensajero (ver figura 3). Los codones de ARNm no reconocen directamente a los aminoácidos, sino que la traducción utiliza moléculas “adaptadoras” que unen el aminoácido con su correspondiente triplete o codón. Estos adaptadores son un grupo de pequeñas moléculas de ARN, conocidas como ARN de transferencia (ARNt), cada una de las cuales tiene solo entre 70 y 90 nucleótidos de longitud. Esta molécula tiene una conformación tridimensional característica, denominada “hoja de trébol”, que le permite llevar a cabo su función de adaptador (Figura 4).  Figura 4: Estructura del ARN de transferencia. Conformación tridimensional del ARNt, conocida como “hoja de trébol”. Fuente: http://img.tfd.com/dorland/thumbs/RNA_ transfer-RNA.jpg En la estructura del ARNt existen dos zonas de gran importancia para el proceso de síntesis proteica: un triplete de secuencia variable llamado anticodón, cuyas bases son complementarias al codón de la molécula de ARNm; el otro triplete está ubicado al otro extremo, y unido covalentemente a un aminoácido específico (ver figura 4). Esta unión del aminoácido específico con el ARNt la cataliza una enzima llamada aminoacil-tRNA sintetasa. Una vez que la subunidad pequeña del ribosoma se encuentra en posición, un ARNt llamado iniciador (que porta el aminoácido metionina), reconoce el primer codón (AUG) en el ARNm y se carga sobre la subunidad pequeña, para luego unirse la subunidad mayor del ribosoma. De esta manera se forma un ribosoma funcional completo, que así ensamblado posee dos sitios de unión diferentes para moléculas de ARNt: el sitio P y el sitio A (ver figura 3). -Elongación: una vez que el ARNt de iniciación unido a metionina se ubica en el sitio A, otro ARNt con su correspondiente aminoácido debe ubicarse en el sitio P, adyacente al sitio A. Con los dos ARNt en su sitio, comienza el proceso de alargamiento o elongación de la cadena polipeptídica: existen 20 aminoácidos esenciales diferentes, todos con una estructura básica común, constituida por un carbono central al que se le unen un grupo químico carboxilo, uno amino y otro grupo químico que es particular para cada aminoácido y que se conoce como “cadena lateral o R” (Figura 5).  Figura 5: Estructura básica de los aminoácidos Todos los aminoácidos poseen un carbono central, al cual se le unen un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral (cadena R). Fuente:http://www.argenbio.org/adc/uploads/imagenes_ doc/composicion_%20delas_%20celulas/aminoacido.JPG Para la elongación de la cadena de polipeptídica, el extremo carboxilo del aminoácido del sitio P se une mediante un enlace covalente al extremo amino del aminoácido ubicado en el sitio A. Este enlace entre aminoácidos se denomina unión peptídica y es catalizado por la peptidil-transferasa, una enzima firmemente unida al ribosoma. El ARNt del sitio A, ahora sin su aminoácido, es liberado al citoplasma; seguidamente, el ribosoma se desplaza exactamente 3 nucleótidos a lo largo de la molécula de ARNm -translocación ribosomal- y de esta manera quedará el sitio P ocupado por el ARNt que tiene unida la cadena de aminoácidos en formación, quedando el sitio A libre para recibir al siguiente ARNt con su correspondiente aminoácido. Este proceso se repetirá casi tantas veces como número de aminoácidos intervengan en la síntesis de la cadena polipeptídica (ver figura 3). -Terminación: de los 64 diferentes codones que existen (4 nucleótidos agrupados de a tres = 4x4x4=64), hay 3 que no codifican para ningún aminoácido, sino que son codones que indican la finalización de la cadena polipeptídica. Son los llamados codones stop (UAA, UAG, UGA) y a ellos se unen directamente factores de terminación o de liberación en el sitio A. Esta unión perturba la acción de la enzima peptidil-transferasa, haciendo que la traducción termine y liberando el ribosoma y el polipéptido completo (ver figura 3). Una vez finalizada la síntesis de la proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice la síntesis de una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente. A este complejo de ARNm con múltiples ribosomas y sus respectivas cadenas polipeptídicas en crecimiento se lo denomina polisoma y es frecuente observarlo en las células activas. Finalmente, las proteínas Con lo visto hasta ahora, se puede definir a las proteínas como macromoléculas (es decir, moléculas grandes) formadas por polímeros de aminoácidos, una cadena formada a partir de aminoácidos. Sin embargo, las proteínas poseen distintos niveles estructurales: el resultado inmediato de la síntesis proteica, es lo que se denomina estructura primaria, es decir, la secuencia lineal y ordenada de aminoácidos (Figura 6a). A partir de esta secuencia básica, las características físico-químicas de los grupos laterales (cadena R) de los aminoácidos hacen que éstos, aunque se encuentren alejados en el collar, puedan acercarse y adoptar múltiples conformaciones tridimensionales. Una de estas conformaciones es el plegamiento regular local entre residuos aminoacídicos cercanos de la cadena polipeptídica, gracias a la formación de enlaces químicos débiles, que da como resultado la estructura secundaria. Los motivos más comunes son la hélice alfa y la lámina plegada beta (Figura 6b). Luego, el modo en que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio se denomina estructura terciaria (Figura 6c). Finalmente, y en algunos casos, varias cadenas proteicas plegadas (o subunidades) pueden unirse entre sí por uniones no covalentes, constituyendo la estructura cuaternaria. (Figura 6d).  Ampliar imagen Figura 6: Estructura proteica. Las proteínas poseen una estructura 1ria (a, cadena lineal de aminoácidos), y las estructuras tridimensionales: 2ria (b, lámina plegada beta y hélice alfa), 3ria (c, subunidad proteica) y 4ria (d, proteína formada por más de una subunidad) Fuente:http://4.bp.blogspot.com/_EdiSPJX1jg8/Sh23fpZSypI/ AAAAAAAABzU/zApnBrIJHUI/s400/estruc+1+prot.JPG Código genético, universal y degenerado Uno de los desafíos científicos del siglo XX consistió en descifrar cuál era la relación entre la secuencia de bases en el ADN y la secuencia de aminoácidos que forman las proteínas. Como se dijo anteriormente, el ARNm es leído cada tres nucleótidos (o codón), que corresponden a un aminoácido determinado. Este “diccionario” que permite traducir la información escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos (nucleótidos) al lenguaje de las proteínas (aminoácidos) se denomina código genético (ver cuaderno nº 3 y Figura 7).  Ampliar imagen Figura 7: Código Genético. Es el “diccionario” que permite traducir el lenguaje de los ácidos nucleicos al de las proteínas. Fuente:http://perso.wanadoo.es/sancayetano2000/biologia/ images/codigo.gif El código genético fue elucidado por Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei, diez años después de que Watson y Crick describieran la estructura de doble hélice del ADN. Descubrieron que el ARN, independientemente del organismo del cual era aislado, podía iniciar la síntesis de proteínas cuando se lo incubaba junto a extractos celulares. Agregando un ARN sintético formado sólo por uracilos (poli-U), determinaron que el codón UUU (el único posible en el ARN poli-U) codificaba para el aminoácido fenilalanina, ya que el único producto que aparecía en el tubo era un polipéptido que contenía sólo este aminoácido. De la misma manera, un ARN artificial que consistía en nucleótidos A y C alternados originaba un polipéptido formado por histidinas y treoninas. Así, observando los productos formados luego de la incubación con una serie de ARN sintéticos, estos investigadores consiguieron descifrar completamente el código genético. Una de las características más significativas de este código es su universalidad; esto significa que el mismo codón en diferentes especies codifica para el mismo aminoácido. Efectivamente, los seres humanos, los monos, las cucarachas, las plantas, las bacterias, los hongos, etc. compartimos este código, lo que lleva a meditar acerca de un origen común y único a todos los seres vivos. La mejor demostración de que el código genético es universal es la posibilidad, mediante las técnicas de ingeniería genética, de que al introducir el ADN de un organismo en otro, el organismo receptor sintetice las proteínas del organismo donante del ADN. Por otro lado, de los 64 codones que existen, 61 corresponden a aminoácidos (los otros 3 son codones de terminación). Como sólo existen 20 aminoácidos, hay más codones que aminoácidos, de forma que un determinado aminoácido puede estar codificado por más de un triplete (por ejemplo, a la glicina le corresponden los codones GGU, GGC, GGA y GGG). Es por eso que se dice que la otra característica del código genético es ser degenerado. Fuentes: Cuadernos de porque biotecnología http://www.porquebiotecnologia.com.ar |
