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III. Biología Molecular
Introducción
La Biología molecular es una disciplina de la Biología, encargada del estudio de los seres vivos a nivel molecular, más precisamente de las moléculas que lo conforman: las biomoléculas. El ámbito de sus estudios, se solapa con otras áreas de la biología y con la química, particularmente genética y bioquímica. Estos estudios se refieren principalmente a la comprensión de las interacciones entre los diferentes sistemas de una célula, incluyendo las interacciones entre el ADN, RNA y síntesis proteica, así como se regulan estas interacciones moleculares. Los estudios de la estructura, función y modificaciones de las macromoléculas que forman parte de los seres vivos, han aportado un muy amplio conjunto de conocimientos y ha contribuido a la comprensión de las características normales de los organismos y también de las alteraciones de este estado, que desembocan en enfermedades que lo aquejan. con alguna frecuencia El conjunto de las macromoléculas que forman parte de los organismos y que desempeñan funciones fundamentales en su estructura y procesos vitales, son de muy variadas características e incluyen: Proteínas. Lípidos, hidratos de carbono y ácidos nucleicos. De las entidades moleculares nombradas anteriormente, las proteínas y los ácidos nucleicos mantienen una estrecha relación, durante la vida del individuo: la secuencia o composición de los monómeros que forman la molécula de las proteínas, los aminoácidos, está definida en el código que está almacenada en ácidos nucleicos específicamente en las secuencias de monómeros los nucleótidos.. La información para generar las secuencias de las proteínas , debe ser estrictamente conservada para asegurar la funcionalidad en el tiempo, de la proteína y del ser vivo en definitiva. La alteración de esta información, causa alteraciones estructurales y funcionales de la misma y muy probablemente una disfunción, alterando la fisiología de la célula y del organismo.
Esquema de una molécula de ADN
La información genética esta almacenada en la célula
Los organismos eucariontes, nos caracterizamos por mantener la información genética compartimentalizada en un territorio de gran tamaño, el núcleo que se encuentra rodeado por una estructura membranosa denominada envoltura nuclear. Así entonces, loa información codificada en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN, debe ser conducida a través de la envoltura nuclear para acceder a los complejos macromoleculares encargados de “leer” la información y permitir su traducción en la secuencia de aminoácidos de las proteínas, proceso que se inicia en todos los casos, en el citosol o en la síntesis de otros tipos de ARN (ribosomales, de transferencia y de varios otros tipos de ARN de menor tamaño y de diversas funciones en la célula). La información requerida para generar la secuencia aminoacídica que es propia de cada proteína, se encuentra almacenada en la secuencia de nucleótidos del DNA. La molécula de DNA está formada por dos hebras cada una formada por una secuencia de nucleótidos (fosfato, desoxiribosa y base nitrogenada)(fig).
Replicación de ADN
Fig. Esquema de la replicación de la molécula de ADN.
Replicación del ADN
Cada célula recibe de u predecesora, además de la mitad de su masa, la información para sintetizar biomoléculas. Esta información está radicada en el ADN que forma parte de la cromatina, una organización macromolecular formada por ADN y proteínas esencialmente básicas (histonas) y con proteínas ácidas. De este modo, en momentos previos a la división celular que concluye con división y desaparición de la célula progenitora, la información genética debe ser duplicada y este proceso, cuya fidelidad debe ser resguarda a todo evento, ocurre en la etapa denominada INTERFASE de ciclo proliferativo. Este proceso ocurre con la intervención de un complejo conjunto de enzimas y agentes reguladores que asegura la fidelidad de la duplicación de la información.
Replicación de ADN mostrando enzimas y moléculas
Fig. Esquema de la replicación del DNA mostrando las enzimas y otras moléculas que intervienen en el proceso.
La información fluye desde el núcleo al citoplasma: La transcripción
La información genética que hereda cada célula hija de su célula progenitora, es copiada en otro tipo de moléculas (genéricamente ARN), cuando se requiere entregar la información asi guardada, ya que debe ser transportada hasta los sitios de síntesis de las proteínas, en un complejo macromolecular denominado Ribosoma, ubicado en el citosol. Este proceso se conoce como transcripción.
Transcripción del ADN
Estructura de un gen
La información fluye desde el núcleo al citoplasma: La traducción
La traducción, es el proceso celular mediante el cual la información codificada en el ADN, luego de ser transportada desde el núcleo por el ARN mensajero, se utiliza para definir la secuencia de aminoácidos que formarán parte de una futura proteína. En términos generales, la traducción es la acción de transformar el lenguaje de un texto en otro y para ello, se necesita un traductor. Este traductor en la célula, es el ARN de transferencia (ARNt), ya que es capaz de leer secuencias de bases en el ARNm y en consecuencia unirse por complementariedad de bases, al codón del ARNm. El ARNt, junto con tener la secuencia conocida como anticodón (eventualmente complementaria al codón ) es portador de un aminoácido , debido a la intervención de una enzima llamada aminoacil-ARNt- sintetaza que le carga un aminoácido especifico en su extremo 3.
Molécula de ARNt
Fig. Molécula de ARNt.
Reación de activación de aminoácido
A partir de la asociación de las subunidades ribosomales en torno al ARNm maduro, se aproximan varias moléculas de ARNt , portando cada una de ellas un aminoácido que le ha sido cargado previamente mediante la intervención de una enzima llamada Aminoacil ARNt sintetasa.
Código genético
¿Cómo se determina la secuencia de aminoácidos que formarán parte de la proteína?
Como en todo idioma, existe un código que los relaciona y en el caso de la traducción de la información genética, este rol codificador, lo cumple el llamado código genético. El código genético es el conjunto de reglas que define la traducción de una secuencia de nucleótidos en el ARN, a una secuencia de aminoácidos en una proteína en todos los seres vivos. El código define la relación entre secuencias de tres nucleótidos, llamadas codones, y aminoácidos. De ese modo, cada codón se corresponde con un aminoácido específico.
Código genético
Ejercicio asociado al código genético
I. Si la secuencia de bases de una hebra codificante de ADN es:
T-G-G-C-T-T-T-G-T-T-A
Entonces, la secuencia de bases nitrogenadas en el ARNm es la siguiente:
A-C-C-G-U-U-U-C-C-A-A-U
Y si cada aminoácido de la secuencia proteica es definido por una secuencia de tres bases nitrogenadas (triplete) ; entonces la secuencia de aminoácidos en este oligopéptido (proteína formada por pocos monómeros) será:
TYR-VAL-SER-ASN
Para definir la identidad del aminoácido codificado en el ARNm, se busca en la tabla de tres entradas del código Fig. , la ubicación de la primera base, luego la de la segunda base y finalmente la de la tercera base del triplete y así se define el aminoácido identificable al conocer el triplete codificador.
Ejercicio de aplicación del Código Genético
I. A partir de la siguiente secuencia de bases de un gen:
Ejercicio de aplicación del código genético
B. ¿Qué aminoácido ocupara el 4º lugar y cual el 8º lugar en el oligopéptido en síntesis?
C. Si la secuencia de bases a leer fuera de derecha a izquierda, ¿Qué aminoácido ocuparía el 5º lugar y cual el 2º lugar?
II. Investiga sobre la función específica que cumple en la síntesis proteica, los tripletes AUG o los tripletes UAA; UAG y UGA
A. ¿Cuál sería en consecuencia en la célula o en el organismo la generación de una mutación en el gen correspondiente a una proteína si desaparece el triplete AUG?
B. ¿Que consecuencia habría si después de el triplete CGT del DNA descrito más arriba , se insertara un triplete UGA, seguido por un AUG después del 4º triplete?
Procesamiento de la molécula de ARNm antes de salir del núcleo.
Una vez que se transcrito la información contenida en la molécula de ADN hacia el ARN, este inicia una serie de transformaciones denominadas postranscripcionales: Entre ellas destacan:
1. Agregación de un capuchón o región CAP: Es un nucleótido modificado de guanina, la 7-metilguanosina trifosfato, que se añade al extremo 5’ de la cadena del ARNm transcrito primario (aún en el núcleo celular) mediante un enlace 5’-fosfato 3’-fosfato en lugar del habitual enlace 3’,5’-fosfodiéster. Esta región CAP, es necesaria para el proceso normal de traducción del ARN y para mantener su estabilidad; esto es crítico para el reconocimiento y el acceso apropiado del ribosoma.
2. Poliadenilación: Es la adición 200 a 250 residuos de adeninas en el extremo 3’ del transcrito primario en el extremo 3’. Su adición está mediada por una secuencia o señal de poliadenilación (AAUAAA), situada unos 11-30 nucleótidos antes del extremo 3’ original. Esta cola protege al ARNm frente a la degradación, aumentando su vida media en el citosol, de modo que se puede sintetizar mayor cantidad de proteína.
3. En la mayoría de los casos, el ARN mensajero sufre la eliminación de secuencias internas, no codificantes, llamadas intrones. Esto no ocurre en células procariontes, ya que estas no poseen intrones en su ADN. El proceso de retirada de los intrones y conexión o empalme de los exones se llama corte y empalme (en inglés, splicing). A veces un mismo transcrito primario o pre-ARNm se puede editar de diversas maneras, permitiendo que con un solo gen se obtengan varias proteínas diferentes; a este fenómeno se le llama splicing alternativo. Ciertas enzimas parecen estar involucrados en editar el RNA antes de su exportación fuera del núcleo, intercambiando o eliminando nucleótidos erróneos. Por esto, es posible decir, que el plegamiento que sufre el ARNm momentos antes de la eliminación de los intrones, le confiere una estructura secundaria que a su vez, perderá en el momento en el que esos intrones, sean eliminados.
Traducción de la información genética
Traducción de la información genética
Una vez que todos los insumos para llevar a cabo el proceso de traducción de la información genética, es decir, dar origen a las proteínas codificadas en el ADN, se inicia la interacción entre estos elementos según se describe en la siguiente figura.
En efecto, al llegar el ARNm, que porta la información que estuvo codificada en el ADN, y que fuera transcrita en el núcleo a la molécula de ARNm, este se traslada al citosol y en ese momento, se aproximan sub unidades ribosomales uniéndose al ARNm.
Síntesis de proteínas: iniciación y elongación
Fig. Esquema que muestra la secuencia de ensamblaje y desensamblaje de las subunidades ribosomales durante la traducción de la información genética.
Finalización de la lectura del mensaje
Referencias o lecturas complementarias en relación al tema.
Modificaciones postraduccionales de proteínas: mecanismos clave en el control de su actividad.
Artículo publicado en enero de 2012.
Mª Dolores Pérez-Sala Gozalo
Centro de Investigaciones Biológicas (CIB), CSIC.
dperezsala cib.csic.es
Las proteínas son las efectoras de muchas funciones celulares. Las modificaciones postraduccionales de las proteínas inducen una gran variedad de cambios estructurales y funcionales y constituyen un mecanismo esencial de regulación de su actividad biológica. El conocimiento de estas modificaciones es clave para comprender la biología celular, el mecanismo de acción de muchos fármacos y para diseñar nuevas estrategias terapéuticas. Las proteínas son estructuras formadas por cadenas de aminoácidos, ordenados en una secuencia precisa, que adoptan una conformación tridimensional determinada pero flexible. Las proteínas pueden compararse con dispositivos mecánicos que pueden ejecutar diversas funciones, desde proporcionar a la célula su soporte estructural en el caso de las proteínas del citoesqueleto, a favorecer reacciones químicas en el caso de las enzimas, controlar el tráfico intracelular y el flujo de sustancias entre la célula y el exterior o regular la expresión de los genes. Los genes que integran el genoma humano codifican un amplio número de proteínas diferentes que puede aproximarse a las cien mil. Sin embargo, las proteínas pueden sufrir numerosas modificaciones químicas en su estructura que tienen importantes efectos moduladores y pueden conllevar el “encendido” o “apagado” de su función biológica, alterar su localización celular, su capacidad para interaccionar con otras proteínas o determinar que la proteína debe ser degradada. Estas modificaciones que ocurren en las proteínas una vez sintetizadas se denominan modificaciones postraduccionales y pueden tener lugar mediante mecanismos enzimáticos o no enzimáticos. La naturaleza de estas modificaciones puede ser muy variada. Las proteínas pueden sufrir oxidaciones, glicosilaciones o unión de azúcares, acetilaciones, roturas de su cadena o proteólisis, unión de moléculas lipídicas, fosforilaciones, unión covalente de otras proteínas pequeñas como la ubiquitina, etc. Si tenemos en cuenta estas transformaciones, la variedad de estructuras y funciones de las proteínas aumenta hasta dar lugar a más de un millón de especies diferentes que pueden desempeñar distintas funciones en las células. Los procesos fisiopatológicos proporcionan diversos ejemplos de cómo la modificación postraduccional de proteínas puede contribuir a la regulación de las respuestas celulares. Durante los procesos inflamatorios, que en definitiva son respuestas de defensa del organismo ante agresiones, un complicado conjunto de modificaciones contribuye a favorecer la inflamación en los primeros momentos, en los que es necesario responder a un daño tisular o eliminar agentes patógenos. Sin embargo, en fases más avanzadas se producen moléculas que se unen a ciertas proteínas y alteran su función para conseguir que la inflamación se atenúe y, finalmente, se resuelva. En concreto, durante esta fase de resolución se producen determinadas modificaciones no enzimáticas que inactivan factores de transcripción proinflamatorios y al mismo tiempo activan proteínas citoprotectoras (1). El estudio de estas modificaciones de proteínas implicadas en los mecanismos de defensa de la propia célula puede desvelar estrategias que podemos tratar de imitar mediante abordajes farmacológicos para conseguir efectos terapéuticos. La fosforilación de proteínas mediada por proteína quinasas es una modificación postraduccional con gran importancia reguladora. Es responsable, en muchos casos, de la activación de proteínas “en cascada”, lo que conlleva la amplificación de la señal y su transmisión entre compartimentos distantes de la célula. Muchas de los estímulos que modulan el crecimiento o la muerte celular lo hacen a través de la regulación de la fosforilación de proteínas. El conocimiento detallado de algunos de estos mecanismos ha llevado al diseño de compuestos que, como en el caso de diversos inhibidores de proteína quinasas, se emplean para bloquear la proliferación de las células en terapia antitumoral o se encuentran en fase experimental con este fin. Entre las modificaciones lipídicas de proteínas se encuentra la conocida como isoprenilación, que por lo general facilita la asociación de las proteínas con las membranas celulares y favorece que ejerzan su función en compartimentos celulares específicos (2). Esta localización y compartimentación es importante ya que alteraciones en el proceso normal de isoprenilación de algunas proteínas pueden conducir a graves enfermedades (3). Por otra parte, se ha desvelado que el mecanismo de acción de algunos fármacos implica la interferencia con algunas modificaciones postraduccionales. Quizá uno de los ejemplos mejor conocidos sea el de las estatinas, que se emplean para reducir los niveles de colesterol, pero que también inhiben la isoprenilación de proteínas, lo cual conlleva efectos beneficiosos sobre la función cardiovascular (4). En otros casos, la modificación de proteínas juega un papel clave en los mecanismos de determinadas reacciones adversas a fármacos. En concreto, ciertos fármacos o los productos de su metabolismo, son especies reactivas capaces de unirse covalentemente a diversas proteínas y alterar su función, produciendo toxicidad celular.
Localización intracelular de proteínas
Fig. Modificación postraduccional y localización intracelular de proteínas. La localización de ciertas proteínas (verde) en la membrana de vesículas intracelulares (teñidas en rojo) depende de sus modificaciones postraduccionales, en este caso isoprenilación.
Desde el punto de vista experimental, los avances técnicos en proteómica y espectrometría de masas hacen posible una caracterización cada vez más detallada del complejo panorama de las modificaciones postraduccionales de proteínas y de sus alteraciones en procesos patológicos (5). Por ello, es previsible que en los próximos años se produzcan importantes avances en el conocimiento de estos sofisticados mecanismos mediante los cuales las células controlan el funcionamiento de la maquinaria proteica. Estos avances serán fundamentales para poder diseñar nuevos abordajes terapéuticos que persigan modular las modificaciones postraduccionales y con ello la función de proteínas importantes en los procesos fisiopatológicos.
Referencias
1. Díez-Dacal B, Pérez-Sala D. Anti-inflammatory prostanoids: Focus on the interactions between electrophile signalling and resolution of inflammation. The Scientific World Journal, 2010; 10: 655- 75.
2. Pérez-Sala D, Boya P, Ramos I, Herrera M, Stamatakis K. The C-terminal sequence of RhoB directs protein degradation through an endo-lysosomal pathway. PLoS ONE, 2009; 4(12): e8117.
3. Pérez-Sala D. Protein isoprenylation in biology and disease: General overview and perspectives from studies with genetically engineered animals. Front Biosci, 2007; 12: 4456-72.
4. Rikitake Y,Liao JK. Rho GTPases, statins, and nitric oxide. Circ Res, 2005; 97: 1232-5. 5. Walther TC,Mann M. Mass spectrometry-based proteomics in cell biology. J Cell Biol, 2010; 190: 491-500.
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