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INSTITUTO CUMBRE DE CONDORES
Corporación de Educación Municipal de Renca
Departamento de Ciencias – Biología. Profesor Rafael González
GUÍA N°2 Unidad 1, Biología Común
Un viaje por el dogma central de la biología molecular
Nombre: Curso: 4° medio
Objetivo de aprendizaje: comprender los procesos bioquímicos que permiten a la célula sintetizar cadenas
polipeptídicas a partir de la informacion codificada en el ácido desoxirribonucleico.
Instrucciones: Lea atentamente la siguiente guía y responda a conciencia las actividades propuestas. Debe
desarrollar el trabajo de forma individual. La fecha de entrega es el día 03 de Julio hasta las 00:00 horas. Puede
hacer entrega de la guía completa o solo las actividades indicando nombre y curso en el asunto del correo. Mail
de contacto [email protected].
1. INTRODUCCIÓN
Un GEN se define como la unidad mínima de información genética. Dicho de otro modo, “Un GEN es el fragmento
más pequeño de una molécula de ADN que posee información completa para un carácter determinado”.
A veces el gen está formado por una secuencia de bases, pero en eucariotas (como nosotros), es frecuente que un
gen esté constituido por varios fragmentos de ADN separados por secuencias sin sentido que no codifican proteínas.
A las partes con sentido, que sirven para fabricar la proteína, se les llama EXONES y a las partes sin sentido,
intercaladas en el gen, INTRONES, los cuales deben ser eliminados tras la transcripción.
Los genes se encuentran en la cromatina. Los filamentos de cromatina, al condensarse forman los cromosomas
(durante la división celular).
Los Cromosomas pueden ser definidos como un conjunto de genes unidos o GENES LIGADOS, que son aquellos
que se heredan juntos (si no se da recombinación genética). En esencia, un gen es una secuencia de nucleótidos que
codifica para una proteína determinada, según la hipótesis UN GEN = UNA PROTEÍNA.
Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, es decir, el fenotipo de un individuo. La transmisión y
expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el "Dogma Central de la Genética
Molecular", que son: Replicación, Transcripción y Traducción.
La replicación o “duplicación” del ADN es un
proceso que ocurre cada vez que una célula se
divide, ya sea por mitosis o meiosis, y que asegura
que las hijas tengan la misma cantidad de material
genético que la célula progenitora (mitosis) o la
mitad de esta información (meiosis).
La replicación ocurre en un momento determinado
del ciclo celular (o ciclo de vida de la célula),
llamado fase S, donde la cantidad de ADN normal
de la célula (2c) pasa a ser el doble (4c). Sin
aumento del número de cromosomas.
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2. El problema del “como”… Modelos de Replicación
Cuando Watson y Crick propusieron el modelo de la Doble Hélice, en 1953, indicaron que dicho modelo sugería
una forma sencilla de replicación. El modelo de replicación propuesto por Watson y Crick suponía que el ADN
doble hélice separa sus dos hebras y cada una sirve de molde para sintetizar una nueva hebra siguiendo las reglas
de complementariadad de las bases nitrogenadas. Dicho modelo recibion el nombre de Semiconservativo, ya que
las dos dobles hélices recién sintetizadas poseen una hebra vieja (una mitad vieja) y otra hebra nueva (mitad nueva).
Frente al modelo Semiconservativo propuesto por Watson y Crick (1953) se postularon otros posibles modelos de
replicación del ADN, uno de ellos se denominó Modelo Conservativo y otro Modelo Dispersivo.
Modelo Conservativo: cuando el
ADN doble hélice se replica se
producen dos dobles hélices, una de
ellas tienen las dos hebras viejas
(esta intacta, se conserva) y la otra
doble hélice posee ambas hebras de
nueva síntesis.
Modelo Dispersivo: Cuando el
ADN doble hélice se replica se
originan dos dobles hélices, cada
una de ellas con hebras que poseen
tramos viejos y tramos de nueva
síntesis en diferentes proporciones.
Meselson y Stahl (1957) disenaron un experimento para tratar de averiguar la forma en la que se realiza la
replicación del ADN en E. coli, es decir, la pregunta que se plantearon fue: ¿Que modelo de replicacion del
ADN sigue E. coli?. Para contestar a esta pregunta, disenaron un experimento en el que marcaban el ADN de la
bacteria E. coli con Nitrógeno pesado N15, para ello hicieron crecer las bacterias durante 14 generaciones sucesivas
en un medio que contenía como unica fuente de Nitrógeno N15, por eso sus bases nitrogenadas tenian nitrógeno
pesado solamente.
Posteriormente, comprobaron
que podían distinguir el ADN
del las bacterias que crecían en
un medio normal (N14) del
ADN de las bacterias que
habían crecido durante 14
generaciones en N15. Para ello
extrajeron el ADN de ambos
tipos de bacterias y lo
centrifugaron en un gradiente
de densidad de CsCl. El
resultado fue que la densidad
del ADN de las bacterias que
habían crecido en presencia de
N15 era mayor que el ADN de
las bacterias que habían
crecido con N14.
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Una vez comprobado que eran capaces de distinguir el ADN de ambos tipos de bacterias, continuaron el
experimento de la siguiente forma: Las bacterias que habían estado creciendo en Nitrógeno pesado (N15) las pasaron
a un medio de cultivo que contenía N14 (Nitrógeno normal) y a distintos tiempos, media generación, una generación,
dos generaciones, tres generaciones de replicación, tomaban una muestra del cultivo bacteriano, extraían el ADN y
centrifugaban en gradiente de densidad de CsCl.
Después de una generación obtuvieron una marca intermedia entre la densidad del ADN con N14 y N15. Luego de
dos generaciones obtivieron dos marcas (con una relacion 1:1); una intermedia con N14 y N15 y otra marca solo con
N14. A la tercera generación la relacion entre la marca de ADN liviano y la marca de ADN mixto fue de 3:1.
El experimento de Meselson – Stahl demostró que:
La replicación del ADN es semiconservativa
Cada nueva molécula de ADN se constituye de una hebra parental y una hebra recientemente
sintetizada.
3. LA REPLICACIÓN
Es el primer proceso necesario para la transmisión de la información genética de una célula a otra. Este proceso se
refiere a la duplicación, es decir, la realización de una copia que pueda ser transportada hacia las células hijas y
ocurre en la Fase S del ciclo celular.
Para que se lleve a cabo la replicación del DNA en las células se requieren los siguientes elementos:
• ADN original: que servirá de molde para ser copiado.
• Topoisomerasas: enzimas responsables de desenrrollar las hebras de la doble hélice.
• Helicasas: enzimas responsables de separar las hebras de la doble hélice.
• ADN-polimerasa III (procarionte): responsable de la síntesis del ADN.
• ARN-polimerasa: fabrica los cebadores, pequeños fragmentos de ARN que sirven para iniciar la síntesis de ADN.
• ADN-polimerasa I (procarionte): responsable de la retirar los cebadores de ARN y rellenar los espacios con ADN.
• ADN-ligasa: une fragmentos de ADN.
• Desoxirribonucleótidos trifosfato: que se utilizan como fuente de nucleótidos y además aportan energía.
• Ribonucleótidos trifosfato: para la fabricación de los cebadores.
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Aunque existen algunas variaciones entre procariotas y eucariotas (resaltando las diferencias estructurales y
funcionales de las ADN polimerasas), el mecanismo básico de replicación de ADN es bastante similar:
• Iniciacion:
El ADN se desenrolla y se separan las dos hebras de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre
bases complementarias, por la acción de helicasa. La topoisomerasa avanza con la helizaca evitando el
sobreenrrollamiento de la hélice. En procariontes solo existe un sitio de abertura de la doble hebra por que el ADN
es circular.
En el ADN eucariota (que es lineal), se producen muchos desenrollamientos a lo largo de la molécula, formándose
zonas de ADN abierto. Estas zonas reciben el nombre de HORQUILLAS O BURBUJAS DE REPLICACIÓN, que
es donde comenzará la síntesis. Las hebras se mantienen abiertas con la ayuda de las proteinas de cadena simple o
SSBp.
La ARN-polimerasa fabrica pequeños fragmentos de ARN complementarios del ADN original. Son los llamados
"primers" o cebadores de unos 10 nucleótidos, a los cuáles se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la ADN-
polimerasa sólo puede anadir nucleótidos a un extremo 3’ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma.
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• Elongación:
La ADN-polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3' (sentido 5'-3'), tomando como molde la
cadena de ADN preexistente, alargándose la hebra.
En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en
que se abre la horquilla de replicación, la llamada HEBRA CONTINUA, y la otra que se conoce como HEBRA
RETARDADA, que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados FRAGMENTOS DE OKAZAKI, ya que
se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla.
• Finalización:
Luego de formadas las nuevas hebas (tanto continua como retardada), actúa la ADN polimeraza I, que elimina los
cebadores de ARN y agrega en esos espacios desoxirribonucleótidos. Finalmente, la ADN-ligasa va uniendo todos
los fragmentos de DNA. A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos se origina la doble
hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de DNA, con una hebra antigua y otra
nueva.
PARA MAS DETALLES DEL
PROCESO RECOMIENDO
REVISAR EL SIGUIENTE
ENLACE!!!!
http://www.bionova.org.es/animbi
o/anim/dnareplicacion/menu.swf
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4. TRANSCRIPCIÓN
La transcripción del ADN es un mecanismo fundamental para el control celular y para la expresión de la información
genética. Este mecanismo permite que la información del ADN llegue al resto de organelos celulares y salga del
núcleo en el caso de los eucariotas. Para ello esa información debe copiarse en forma de ARN.
La TRANSCRIPCIÓN es el proceso de copia de un gen o fragmento de ADN utilizando ribonucléotidos y
originándose diferentes tipos de ARN. El proceso es similar al de la replicación, con la diferencia de las enzimas y
los precursores necesarios.
Características del proceso:
Se conoce como un proceso selectivo porque reconoce una región de inicio y termino en la molécula de
ADN.
Una región concreta de ADN (gen) puede ser transcrita una infinidad de veces, dando lugar a múltiples
moléculas iguales de ARN y sus respectivas proteínas.
Es un proceso conservador de la molécula de ADN; no daña el ADN.
Se realiza solo utilizando una de las dos hebras de ADN. Hebra molde: funciona como molde para la
síntesis de ARN (3´ 5´). Hebra complementaria (no molde): no transcribe para ARN.
La copia de ARN se sintetiza en dirección 5´ 3´ (SIEMPRE)
Elementos que intervienen:
Para que se lleve a cabo la transcripción del ADN en las células se requieren los siguientes elementos:
ADN original que servirá de molde para ser copiado.
ARN-polimerasa II (procarionte): sintetiza el ARN a partir del molde del ADN.
Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia (ATP, UTP, CTP y GTP).
Poli-A polimerasa, ribonucleoproteina pequeña nuclear, ARN-ligasa.
La enzima que participa (ARNpol II) no requiere
de un cebador.
El punto de inicio viene “senalado” en el ADN por
unas secuencias concretas denominadas promotores
(Caja TATA en procariontes).
A lo largo del proceso se forma una doble hélice
entre el ADN y el ARN en formación, que recibe el
nombre de híbrido ADN-ARN.
Desenrollamiento
Enrollamiento
Horquilla de Transcripción
ADN
ARN
Hebra molde
Hebra no molde
ARNpol II
Sitio Activo Híbrido
ARN-ADN
8 pb
Dirección de Transcripción
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Mecanismo:
Al igual que en la replicación, existen diferencias entre procariotas y eucariotas, siendo las principales, la existencia
de varias ARN-polimerasas en eucariotas y, sobre todo, la necesidad de que se produzca una "maduración", un
procesamiento de algunos ARNs debido a la existencia de los intrones. El proceso se divide en tres etapas:
• Inicio: La ARN-polimerasa se une a una zona del ADN
previa al ADN que se quiere transcribir (Caja TATA). A
continuación se corta la hebra de ADN y se separan las
dos cadenas, iniciándose el proceso de copia del ADN a
transcribir; esta copia no requiere ningún cebador. Los
ribonucleótidos se añaden en sentido 5'-3'. En el caso de
la transcripción de un gen que codifica para una proteína,
la ARN-polimerasa se une a una zona de control
denominada PROMOTOR, que regula la actividad de la
ARN-polimerasa y, por tanto, regula la expresión del gen.
Elongación: La ARN-polimerasa continúa añadiendo
ribonucleótidos complementarios al DNA hasta que se
llega a una determinada secuencia que indica a la
polimerasa el final de la zona a transcribir. Cuando ya se
han anadido unos 30 ribonucleótidos, en el extremo 3’ se
une un nucleótido modificado de 7-metil guanosina, que
forma lo que se denomina la “caperuza”, el “casquete” o
el extremo “Cap”.
• Término: La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos
de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea
destruido por las nucleasas celulares.
• Maduración de los productos de la transcripción (splicing): Se da en el núcleo de eucariotas y la realiza
la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), eliminando los intrones del RNA y quedando los
exones libres para ser unidos por una RNA-ligasa.
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5. TRADUCCIÓN
El paso fundamental para que los seres vivos puedan existir, vivir, pertenecer a una especie, funcionar, etc. radica
en que la información genética, que es una secuencia de bases nitrogenadas encerrada en los nucleótidos del ADN,
se convierta en moléculas activas capaces de fabricar materia, producir y gastar energía, hacer funcionar el
metabolismo, fabricar células y tejidos, etc.; estas moléculas están constituidas por aminoácidos, y son las
PROTEÍNAS.
La TRADUCCIÓN es el proceso de síntesis de cadenas
polipeptídicas, llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la
información aportada por el ARN mensajero que es, a su vez,
una copia de un gen. Las proteínas de los seres vivos se
fabrican en los RIBOSOMAS, organelos celulares que se
encuentran en el citoplasma de los eucariotas, asociados al
retículo endoplasmático rugoso. Los ribosomas son
nucleoproteínas, con la particularidad de que están formados
por una asociación de proteínas y un ARN especial que es el
llamado ARN-ribosómico. Este ARN, como todos los ARN,
se fabrica en el núcleo celular mediante la transcripción de
una región determinada de ese ADN.
En el proceso de traducción intervienen de forma
fundamental los tres tipos más frecuentes de ARNs, cada uno
con una función complementaria para llevar a cabo de forma
conjunta el proceso:
• ARN-mensajero (ARN-m): es el encargado de transportar la información genética desde el núcleo hasta los
ribosomas con el fin de que pueda ser expresada en forma de proteínas.
• ARN-ribosómico (ARN-r): forma parte esencial de las dos subunidades que constituyen los ribosomas.
• ARN-transferencia (ARN-t): juega un papel fundamental transportando a los aminoácidos hasta los
ribosomas en el orden correcto en que deben unirse para formar una proteína determinada, según la
información genética.
Los ARN-t Los RNA-t son cadenas cortas de ribonucleótidos plegadas en
el espacio de tal forma que se produce apareamiento entre bases
complementarias que quedan próximas. Se origina así una
configuración espacial en forma de "hoja de trébol", con cuatro
brazos o bucles de RNA no apareado:
• Brazo aceptor: formado por los extremos 3' y 5' de la
cadena que se encuentran próximos. En el extremo 5' es donde
se unirá el aminoácido que debe ser transportado hasta el
ribosoma.
• Brazo aminoacil ARNt sintetasa o TFIC: interacciona
con la enzima que une al ARNt con su aminoácido específico.
• Brazo anticodón: Es el más importante porque su
anticodón se une a codones especificos de ARNm. El anticodón
es una secuencia de tres bases complementaria de un codón o triplete de bases de un ARNm.
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Los aminoácidos se unen al extremo 3'-del
ARNt, formando un aminoacil-ARNt. Las
enzimas que lo realizan requieren ATP y son
conocidas como aminoacil-ARNt sintetasas.
Aminoacil-ARNt sintetasas presentan una alta
fidelidad lo cual minimiza los errores.
Eucariontes pueden sintetizar de 50-100
ARNt. Por consiguiente, un aminoácido puede
ser transportado por más de una especie de
ARNt. Cada aminoacil-ARNt sintetasa
reconoce 1 aminoácido y todos sus ARNt afines.
FASES DE LA TRADUCCIÓN
Pre-iniciación: Activación de los aa por acción de la enzima aminoacil-
ARNt sintetasa utilizando ATP.
Inicio: La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm. El ARNt
reconoce el codón de inicio (AUG) en el ARNm proveniente del núcleo
en el proceso de transcripción. El codón de inicio, al ser leído por el
anticodón es traducido en el aminoácido metionina. A continuación se
ensambla la subunidad mayor del ribosoma a la menor.
*Solo el primer ARNt con la metionina se ubica primero en el sitio P
(peptidil) del ribosoma ya que todos los demás ARNt entran primero al
sitio A.
Elongación: Se produce gracias a un movimiento del ribosoma
(translocación) lo que permite que ARNt que estaba en el sitio P quede
en el sitio E de salida. El ARNt que estaba en A ahora queda en P y el
sitio A queda libre para que entren nuevos ARNt.
Cuando los sitios P y A se encuentran ocupados se forma el enlace
peptídico entre los aminoácidos que llevan los ARNt que se encuentran
en ellos.
Terminación: El sitio A del ribosoma reconoce el codón de termino en
el ARNm (UAA, UAG, UGA), y en este punto ningún ARNt entra al
sitio A, lo que permite la liberación de la cadena polipeptídica y el
desensamble del ribosoma, puesto que no existe aminoácido
complementario para ese codón.
* Factores de liberación reconocen los codones de término
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6. Expresión de la Información: Características e Importancia del Código Genético:
La información genética se encuentra en la secuencia de bases del ADN y se expresa en forma de proteínas que
desarrollan los caracteres de los seres vivos. Desde que se desarrolló la hipótesis un “gen = una proteína”, se pensó
que debía existir algún tipo de relación entre las bases del ADN y los aminoácidos, idea que se vio reforzada al
descubrirse el ARN mensajero, que hacía de intermediario entre el ADN y las proteínas. Gracias a los trabajos
primero del equipo de Ochoa y Kornberg, desarrollando la maquinaria metabólica necesaria para fabricar ácidos
nucleicos en laboratorio, y luego del equipo de Holley, Khorana y Nirenberg se fue estableciendo la correspondencia
entre las bases del ARN mensajero (que es copia del ADN) y los aminoácidos de las proteínas, correspondencia a
la que se le dio el nombre de CÓDIGO GENÉTICO. Estos investigadores demostraron que la relación se establecía
entre grupos de tres bases nitrogenadas del ARN mensajero (codones) y un aminoácido.
El CÓDIGO GENÉTICO es la relación que existe entre los tripletes de bases del ARN mensajero (codones) y los
aminoácidos.
Existen 64 combinaciones de las cuatro bases nitrogenadas tomadas de tres en tres (por tripletes), que codifican
para 21 aminoácidos más tres tripletes "sin sentido" o de terminación.
En principio, un ARN formado por 30 nucleótidos (secuencia de 30 bases nitrogenadas) tendrá información para
construir una proteína de 9 aminoácidos: 9 aminoácidos x 3 bases = 27 bases + 3 de terminación = 30 bases.
Al haber más combinaciones que aminoácidos, a algunos aminoácidos les corresponden varias combinaciones, hasta
seis tripletes para la Leucina y la Arginina, cuatro tripletes para la Valina, Alanina, Prolina, Glicina, etc.
En realidad sólo existen dos aminoácidos codificados por un único triplete, que son el Triptófano, un aminoácido
de estructura peculiar, y la Metionina, que es el aminoácido de iniciación de todas las proteínas en el ribosoma.
Esta característica del código genético hace que algunos aminoácidos estén codificados por un par de bases y no
por un triplete lo cual se ha denominado DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO.
Una de las principales
características del código
genético es su carácter universal
para todos los seres vivos.
Podemos decir que es
exactamente igual para cualquier
organismo, desde las bacterias
quimiosintéticas hasta la especie
humana, incluyendo a los virus,
lo cual se considera como una
prueba más de que el origen de la
vida sobre la Tierra es único.
Ejemplo de
polipeptidos
formados a partir de
diferentes ARNm
utilizando el codigo
genético.
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EJERCITACION:
1. La tabla del código genético muestra la
correspondencia entre
a) ADN y genes.
b) ADN y aminoácidos.
c) ARN mensajero y codones.
d) Codones y aminoácidos.
e) Codones y anticodones.
2. Si el anticodón del ARNt que porta el aminoácido
leucina es GAG, entonces, la secuencia de
nucleótidos en el ADN que codifica para este
aminoácido es:
a) GAG.
b) CUC.
c) CTC.
d) AUG.
e) UCG.
3. Si en una célula se inhibe la transcripción y, al cabo
de unas horas, sus componentes moleculares se
comparan con los de una célula intacta, se constatará
que la primera tendrá una menor cantidad de:
I) ARNt.
II) ARNm.
III) Proteínas.
4. El mecanismo involucrado en la síntesis del ARNm
a partir del ADN se denomina:
a) Transformación.
b) Translocación.
c) Transcripción.
d) Transducción.
e) Traducción.
5. ¿Dónde se forma el ARNm, ARNt y ARNr?
a) Citoplasma.
b) Núcleo.
c) Ribosomas.
d) El ARNm en ribosomas y los otros en el
núcleo.
e) El ARNm en el núcleo y los otros en el
citoplasma.
6. La siguiente figura está relacionada con el proceso
de biosíntesis de proteínas:Al respecto, es correcto
inferir que:
I) la estructura 1
corresponde a un ARN de
transferencia.
II) el triplete UUA
representa un anticodón
para un aminoácido.
III) 5’– – – –AAU– – – –
3’ representa un ARN
mensajero.
a) Solo I
b) Solo II
c) Solo III
d) Solo I y III
e) I, II y III
7. La siguiente corresponde a la secuencia de
nucleótidos en un fragmento de una molécula de
ARNm: 5´ AUCCACGCU 3´
¿Cuál de las siguientes corresponde a la respectiva
secuencia de ADN codificante?
a) 5´ UCGCACCUA 5´
b) 5´ TCGCACCTA 3´
c) 5´ ATCCACGCT 3´
d) 3´ UCGGACCUA 5´
e) 3´ ATCCACGCT 5´
8. ¿Cuál es el producto final de la expresión de los
genes?
a) Hidratos de carbono.
b) Proteínas.
c) Ácidos nucleicos.
d) Fosfolípidos.
e) Vitaminas.
9. ¿En qué molécula encontramos los codones?
a) ADN.
b) ARNt.
c) ARNm.
d) ARNr.
e) Ribosomas.
a) Sólo I
b) Sólo II
c) Sólo III d) Sólo II y III
e) I, II y III
10. ¿Qué molécula está protegida en el
extremo 5’ por un CAP y en extremo
3’ por una cola de poliadenina?
a) ARNt.
b) ADN.
c) ARNr.
d) ARNm.
e) cADN.