Dra. María Irene Balbín AriasDr. Ramiro Valdés Carmenate

Dpto. Química, Fac. de AgronomíaUNAH

ANTECEDENTES•1953. - Sanger estableció la estructura completa de

una proteína: la Insulina. - Crick y Watson demostraron que el DNA tenía

una estructura de doble hélice.

•1963. Nirenberg descifró la clave genética cuya generalidad se aplicaba desde la bacteria hasta el

hombre.•1967. Edman y Begg establecieron métodos de

degradación de proteínas. (Estructura primaria).

•1978. Dayhoff y Eck establecieron las estructuras primarias de más de 500 proteínas (Atlas de proteínas).

•1976-1981. Gilbert y Maxan elaboraron un método rápido de análisis del DNA.

•1981. Gilbert determinó la secuencia de más de 1 000 nucleótidos/semana y con un solo operador.

•1981. Alvarado-Urbina y otros, lograron sintetizar en solo tres días un gen con una máquina.

•Se pudo conocer el papel que desempeña una secuencia particular de nucleótidos en la regulación de

la síntesis del RNA y por lo tanto de una proteína.

ANTECEDENTES

Dogma central de la genética molecular

DNA

RNA

PROTEÍNAS

Transcripción

Traducción

Replicación

Enlaces fosfodiésteres

ESTRUCTURA DEL ADN (Polinucleótido)(Consultar libro electrónico de Acidos nucleicos)

ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DEL ADN

Pares de basecomplementarias

REPLICACIÓN

Este proceso se divide en tres fases: inicio, elongación y terminación.

El DNA presente en los cromosomas de los organismos vivos debe ser duplicado durante la división celular para asegurar que cada núcleo

descendiente reciba la información genética completa.

La síntesis de las moléculas de DNA se conoce como proceso de replicación.

Las fases se distinguen por las reacciones que tienen lugar y por las enzimas que se

requieren.

Cada cadena de DNA en la doble hélice actúa como un patrón (molde) sobre el cual nuevas cadenas complementarias son sintetizadas.

La replicación del DNA da lugar a dos moléculas "hijas" idénticas a la molécula progenitora del

DNA pero cada una de ellas contiene una cadena intacta de su molécula progenitora y una

nuevamente sintetizada. Este proceso se denomina entonces replicación

semiconservadora.

REPLICACIÓN

 Después de iniciada la replicación en un punto del DNA, ¿transcurrirá en una

dirección o en ambas?.

¿Se desenrrollarán totalmente las cadenas del original (DNA) parental antes de que sea

replicada?.

¿Empezará la replicación en sitios al azar o en punto único?.

La reacción empieza en una secuencia del DNA denominada origen, a partir del cual se comienzan a separar las cadenas de la doble hélice formándose lo

que se denominan horquillas de replicación que es donde se desenrolla el DNA parental y las cadenas separadas comienzan a replicarse rápidamente y

generalmente en forma bidireccional.

Origen de replicación

Origen de replicaciónCadenas hijas

formadas

ADN parental o madre

Las cadenas de DNA separadas son estabilizadas por interacción con algunas proteínas denominadas de fijación

al DNA monohebra (SSBP) (single‑stranded DNA binding proteins), conocidas como factor de replicación (RF).

DNA helicasa: Se trasladan a lo largo del DNA y van separando las dos cadenas utilizando la energía

química del ATP (la separación de cada par de bases involucra un gasto de dos moléculas de ATP).

La separación de las cadenas crea una tensión topológica en la estructura helicoidal del DNA que se elimina por la acción de las topoisomerasas, enzimas

que aumentan o disminuyen el grado de enrrollamiento del DNA haciendo variar el número de enlace.

DNA polimerasas: Cataliza la formación de una nueva cadena de DNA bajo la dirección de una cadena simple

que sirve como molde e incluye la unión de desoxiribonucleótidos.

La ecuación general de la reacción catalizada por la DNA polimerasa será:

  (dNMP)n + dNTP ‑‑‑‑‑‑ (dNMP)n+1 + PPi

DNA molde DNA alargado donde dNMP = desoxinucleósido 5'‑monofosfato dNTP = desoxinucleósido 5‑trifosfato.

REPLICACIÓNDNA Polimerasa

Requiere de un molde Requiere de un cebador

Posee actividad exonucleasa 5’ 3’Actividad de reparación del DNA

Cataliza la síntesis en dirección 5’ 3’

Posee actividad exonucleasa 3’ 5’Actividad correctora de pruebas

Cadena nuevaAcople

DNA polimerasa

Molde de la cadena continua

Helicasa

Horquilla de replicación

DNA parental

Replicación del ADNLIgasa Polimerasa I Fragmento de Okasaki

Primasa

ARN primer

Proteínas ligadas a ADN de cadena simple

Molde de la cadena rezagada

TRANSCRIPCIÓNFormación de moléculas de RNA a partir de la

información contenida permanentemente en el DNA. En este proceso, un sistema enzimático convierte la

información genética de un segmento de DNA en una cadena de RNA, con una secuencia de bases

complementaria a una de las cadenas de DNA.

Es muy similar a la replicación en términos de mecanismo químico, polaridad (dirección de la síntesis)

y utilización de un molde.

El inicio de la síntesis tiene lugar en secuencias específicas llamadas promotores que dirigen la

transcripción de segmentos adyacentes de DNA (genes).

Requiere los cuatro ribonucleósidos 5'‑trifosfatos (ATP, GTP, UTP y CTP) como precursores de las unidades

nucleotídicas del RNA, así como Mg2+ y también contiene Zn2+.

La enzima capaz de formar un polímero de RNA a partir de ribonucleósido 5'‑trifosfatos, la RNA polimerasa dirigida por DNA, fue aislada a partir de extractos

bacterianos en 1959.

La ecuación general de la reacción catalizada por la DNA polimerasa será:

  (NMP)n + NTP ‑‑‑‑‑‑ (NMP)n+1 + PPi

RNA RNA alargado

donde NMP = nucleósido 5'‑monofosfato

TRANSCRIPCIÓNRNA Polimerasa

Requiere de un moldeNo se copia el cromosoma entero

NO requiere cebador

SOLO UNA DE LAS CADENAS ACTUA COMO MOLDE

Cataliza la síntesis en dirección 5’ 3’

NO posee actividad exonucleasa 3’ 5’Actividad correctora de pruebas

NO posee actividad exonucleasa 5’ 3’Actividad de reparación del DNA

Una de las dos hebras de la doble cadena del DNA, se desenrolla en una corta distancia formando una "burbuja" de transcripción. En estos casos también actúan las topoisomerasas aliviando los

problemas topológicos causados por la transcripción.

Una de las dos cadenas sirve de molde para la síntesis del RNA, la otra es la llamada hebra complementaria al molde.

La síntesis del RNA empieza normalmente con un residuo GTP o ATP, cuyo grupo 5'‑trifosfato no es cortado para liberar pirofosfato (PPi)

sino que se mantiene intacto durante toda la transcripción. La nueva cadena de RNA forma temporalmente apareamiento de bases con el DNA molde formando una doble hélice de un híbrido RNA‑DNA

corto que es esencial para la lectura correcta de la hebra de DNA.

Sitio de terminación de la transcripción

Sitio de inicio de la transcripción

RNA polimerasa

Requiere:Más de 70 proteínas ribosómicas diferentes.

20 o más enzimas para activar los aminoácidos precursores.

Una docena o más de enzimas auxiliares.Otros factores específicos para el Inicio, Elongación y Terminación.

Aproximadamente 100 enzimas adicionales para la modificación de las diferentes clases de proteínas.

40 o más clases de RNA de transferencia y ribisómicos.

Cooperan más de 300 macromoléculas diferentesCooperan más de 300 macromoléculas diferentes

Descubrimientos importantes de la década del 50

1. La síntesis de las proteínas se lleva a cabo en los ribosomas.

2. Los aminoácidos se unen a una forma de RNA termoestable, los tRNA, formando aminoacil-tRNA,

proceso catalizado por las aminoacil-tRNA sintetasas.PAPEL ADAPTADOR

3. De qué modo se traduce la información genética contenida en el lenguaje de 4 letras de los AN al

lenguaje de 20 letras de las proteínas.CÓDIGO GENÉTICO

Conjunto de palabras codificadas en forma de tripletes en el DNA (ó mRNA) que codifica los

aminoácidos de las proteínas. En los años 60 ya se conocía que para codificar

cada aminoácido se requieren al menos tres residuos de nucleótidos.

El código de 4 letras del DNA (A,T,G y C) en grupos de dos, sólo pueden dar 42 = 16

combinaciones diferentes que no son suficientes para codificar los 20 aminoácidos. Sin embargo,

4 bases en grupos de tres pueden dar 43 = 64 combinaciones diferentes.

Etapas de la Síntesis de proteínas

Fase 1. Activación del aminoácido.

Fase 2. Inicio de la síntesis.

Fase 3. Elongación de la cadena polipeptídica.

Fase 4. Terminación y liberación.

Fase 5. Plegamiento y maduración.

Mg2+

Aminoácido + tRNA +ATP ‑‑‑‑aminoacil‑tRNA + AMP + PPi

Fase 1. Activación del aminoácido.

Esterificación de los 20 aminoácidos diferentes que componen las proteínas con sus correspondientes tRNA

por medo de las enzimas aminoacil‑tRNA sintetasas, cada una de las cuales es específica para un aminoácido y uno

o más tRNA correspondientes.

Reacción global catalizada por las aminoacil‑tRNA sintetasas

Reacción global catalizada por las aminoacil‑tRNA sintetasas

1. Activación de un aminoácido para formar un enlace peptídico.2. Unión del aminoácido a un tRNA adaptador que dirige su

colocación dentro de un polipéptido en crecimiento.

Objetivos de la aminoacilación del tRNAObjetivos de la aminoacilación del tRNA

Complejo de inicio de la Traslación

tARN cargado con metionina

Codón de inicio AUGARN mensajero

Subunidad ribosomal pequeña Subunidad

ribosomal grande

Fase 2. Inicio de la síntesis.

6) La subunidad ribosomal 50S.

Requiere

1) La presencia de una subunidad ribosomal pequeña 30S que se enlaza a la señal iniciadora en el mRNA.

 2) El mRNA para codificar el polipéptido.

3) Un aminoacil‑tRNA iniciador, que en organismos procarióticos es el formilmetionil‑tRNA [fmet;i] (donde fmet e i indican que el tRNA involucrado es específico para la iniciación con formilMetionina).

4) Un número de factores de iniciación IF.

5) El trinucleótido, GTP.

Codón de inicio

INICIO

Fase 3. Elongación de la cadena.Requiere

Complejo de iniciación (ribosoma funcional 70S).

GTP

Siguiente aminoacil‑tRNA especificado por el próximo codón en el mRNA.

Tres proteínas solubles denominadas factores de elongación.

Enzima peptidil transferasa que cataliza la formación del enlace peptídico.

Se corresponde con el rRNA 23S, una de las proteínas asociada a la subunidad ribosomal

grande denominado ribozima.

ELONGACIÓN

Las cadenas polipeptídicas comienzan siempre por el grupo amino terminal y se elongan por adiciones sucesivas de aminoácidos al grupo carboxilo

terminal.

Tres factores de liberación hidrolizan al polipéptido desde el tRNA terminal liberándolos al citoplasma y también catalizan la disociación del

ribosoma en las subunidades.

Fase 4. Terminación y liberación.

Ocurre cuando el sitio A del ribosoma contacta con uno de los tres codones de terminación

posible (UAA, UAG, UGA).

Codón de terminacióntambién UAG y UGA

TERMINACIÓN

  Activación del aminoácido: 1ATP y 5 enlaces fosfato de alta energía

  Iniciación 1GTP

Elongación de cadena 2 GTP

Corrección de prueba por aminoacil‑tRNA sintetasa1 ATP por cada aminoácido que entre equivocado.

Fase 5. Plegamiento y maduración.

Modificaciones postraslacionales para hacerlas activas

Metilación de algunos residuos de aminoácidos como la Lisina

Glicoproteínas. El componente glicosil se añade después de que la cadena polipeptídica ya se ha sintetizado.

Pueden ser: azúcares como pentosas (xilosa y arabinosa) y hexosas (manosa, glucosa, galactosa) o hexosaminas

(N‑acetilglucosamina y N‑acetilgalactosamina).

Grupos prostéticos. Son necesarios para la actividad de algunas enzimas. Un ejemplo de ello es el cit.c, que tiene un grupo hemo, el cual es añadido a la

cadena polipeptídica después de la traslación.

Polipéptidos señales. Secuencias cortas, liberadas desde el polipéptido en crecimiento por la acción de peptidasas señales asociadas a la membrana del

Retículo Endoplasmático. Trasladan la proteína hasta su lugar de acción.

Ribosomas en traslación múltiple

Polipéptido terminado

Polipéptido en formación

mARN

Polisomas

Así se logra una mayor eficiencia en este proceso

Principios de Bioquímica. Lehninger, A.; Nelson D.; Cox, M., Ed. Omega, 1993.

Principles of Biochemistry. Lehninger, 2001.(Libro electrónico)

Elementos de Bioquímica General. Valdés , R.; María I. Balbín. UNAH, Cuba, 1999.