Ácidos Nucleicos Y Síntesis DE Proteínas PDF

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BIOQUIMICA Ciclo de formación básica

Taller 5: ÁCIDOS NUCLEICOS Y SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 1. Componentes de los ácidos nucleicos 2. Estructura primaria de los ácidos nucleicos 3. La doble hélice del ADN 4. El ARN y el código genético 5. Síntesis de proteínas

Los ácidos nucleicos son moléculas grandes que existen en nuestras células y que almacenan la información y dirigen las actividades para el desarrollo celular y la reproducción. El ácido desoxirribonucleico (ADN), el material genético del núcleo celular, contiene toda la información necesaria para el desarrollo de un sistema vivo completo. La manera en que crecemos, el pelo, el color de los ojos, la apariencia física, la actividad de las células de nuestro cuerpo; todo viene determinado por un conjunto de directrices contenidas en el ADN de nuestras células. Toda la información genética de la célula se denomina genoma. Cada vez que una célula se divide, la información del genoma se copia y pasa a las nuevas células: este proceso de replicación duplica exactamente las instrucciones genéticas. Algunas secciones del ADN, denominadas genes, contienen la información para fabricar una determinada proteína. Cuando la célula necesita proteínas, otro tipo de ácido nucleico, el ARN, traslada la información genética del ADN y la lleva a los ribosomas, donde tiene lugar la síntesis de las proteínas. A veces ocurren errores que generan mutaciones que afectan a la síntesis de una determinada proteína.

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1. COMPONENTES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS El objetivo: es describir las bases nitrogenadas y los azúcares de ribosa que forman los ácidos nucleicos ADN y ARN.

Existen 2 tipos muy relacionados de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Ambos son polímeros no ramificados formados por unidades repetidas de monómeros denominados nucleótidos. Una molécula de ADN puede tener varios millones de nucleótidos; las moléculas más pequeñas de ARN pueden contener hasta varios miles de ellos. Cada nucleótido tiene 3 componentes: una base, un azúcar de 5 carbonos y un grupo fosfato (ver figura).

Bases Las bases de los ácidos nucleicos son derivados de pirimidina o de purina.

En el ADN, las bases nitrogenadas son:  2 purinas: adenina (A) y guanina (G)  2 pirimidinas: citosina (C) y timina (T).

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El ARN contiene las mismas bases, exceptuando que la timina (5-metiluracilo) está sustituida por el uracilo (U)

Los azúcares ribosa y desoxirribosa En el ARN, el azúcar de 5 carbonos es la ribosa (que proporciona la letra R a la sigla ARN). Los átomos de las pentosas se numeran con primas (1’, 2’, 3’, 4’ y 5’) para diferenciarlos de los átomos de las bases (fig. 17.3). En el ADN, el azúcar de 5 carbonos es ladesoxirribosa, que es similar a la ribosa, con la diferencia de que no hay grupo hidroxilo (-OH) en C2’. El prefijo desoxi quiere decir «sin oxígeno» y proporciona la D a la sigla ADN.

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Nucleósidos y nucleótidos Un nucleósido se forma cuando una purina o una pirimidina forma un enlace glicosídico con el C1’ de un azúcar, ya sea ribosa o desoxirribosa. Por ejemplo, la adenina, una purina, y la ribosa forman un nucleósido llamado adenosina.

Los nucleótidos se forman cuando el grupo C5’— OH de la ribosa o la desoxirribosa de un nucleósido forma un éster fosfórico. Otros grupos hidroxilo de la ribosa pueden formar también ésteres fosfóricos, pero los nucleótidos 5’-monofosfato solo se encuentran en el ARN y ADN. Todos los nucleótidos del ARN y ADN se muestran en la figura.

Figura: Los nucleótidos del ARN son idénticos a los del ADN, con la excepción de que en el ADN el azúcar es la desoxirribosa, y la desoxitimidina reemplaza a la uridina.

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Nomenclatura de nucleósidos y nucleótidos El nombre de un nucleósido que contiene una purina termina en osina, mientras que el nucleósido que contiene una pirimidina acaba en idina. Los nombres de los nucleósidos del ADN añaden desoxi al principio de los nombres. Los correspondientes nucleótidos en el ARN y ADN se nombran añadiendo 5’-monofosfato. Aunque las letras A, G, C, U y T representan las bases, muchas veces se utilizan en las siglas de los nucleósidos y nucleótidos respectivos. Los nombres y siglas de las bases, nucleósidos y nucleótidos en el ADN y ARN se recogen en la tabla.

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2. ESTRUCTURA PRIMARIA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS El objetivo: es describir las estructuras primariasdel ARN y del ADN. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos en los que el grupo 3’ -OH del azúcar de un nucleótido forma un enlace con el grupo fosfato del átomo de carbono 5’ del nucleótido siguiente. Esta unión fosfato entre los azúcares de nucleótidos consecutivos se conoce como enlace fosfodiéster. Al añadirse más nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster, se forma un esqueleto constituido por grupos azúcar y grupos fosfato alternativamente. Cada ácido nucleico tiene su propia secuencia particular de bases, que se conoce como su estructura primaria y es la que lleva la información genética de la célula. A lo largo de la cadena de ADN o ARN, las bases unidas a cada uno de los azúcares se extienden fuera del esqueleto del ácido nucleico. En cualquier ácido nucleico, el azúcar de uno de los extremos tiene un 5’-fosfato terminal libre o sin reaccionar, y el azúcar del otro extremo tiene un grupo 3’-hidroxilo libre.

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Una secuencia de ácido nucleico se lee desde el azúcar con el 5’ -fosfato libre hasta el azúcar con el grupo 3’-hidroxilo libre. A menudo se escribe el orden de nucleótidos usando únicamente las letras de las bases.

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Por ejemplo, el orden de nucleótidos comenzando con la adenina (extremo con 5’-fosfato libre) en el fragmento de ARN que se muestra en la figura es 5’— A — C — G — U — 3’. En la estructura primaria de un ARN, A, C, G y U están unidos por enlaces fosfodiéster 3’5’.

Ejercitación 1 1. Identifica cada una de las siguientes bases como purina o pirimidina.

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2. Identifica qué ácido nucleico (ADN o ARN) contiene cada uno de los siguientes nucleótidos y especifica los componentes de cada nucleótido: a) desoxiguanosina 5’-monofosfato (dGMP) b) adenosina 5’-monofosfato (AMP)

3. ¿Cuáles son los nombres y las siglas de los 4 nucleótidos del ADN?

4. ¿Cuáles son los nombres y las siglas de los 4 nucleótidos del ARN?

5. Identifica cada uno de los siguientes compuestos como nucleótido o nucleósido: a) adenosina b) desoxicitidina c) uridina d) citidina 5’-monofosfato

6. ¿Cómo se mantienen unidos los nucleótidos en una cadena de ácido nucleico? 7. ¿Cómo se diferencian los extremos de un polímero de ácido nucleico?

3. LA DOBLE HÉLICE DEL ADN El objetivo: es describir la doble hélice del ADN.

En los años cuarenta, los biólogos determinaron que el ADN de diversos organismos tenía una relación específica entre pares de bases: la cantidad de adenina (A) era igual a la cantidad de timina (T), y la cantidad de guanina ( G) era igual a la cantidad de citosina ( C). De esta forma se determinó que la adenina estaba siempre emparejada (1:1) con la timina, y la guanina estaba siempre emparejada (1:1) con la citosina. Número de moléculas de purina = número de moléculas de pirimidina A=T G=C En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron que el ADN posee una estructura de doble hélice formada por 2 hebras de polinucleótido que serpentean una al lado de la otra como una escalera de caracol. Los esqueletos azúcar-fosfato son las barandillas 9

exteriores, con las bases dispuestas como escalones en el interior. Las 2 hebras corren en direcciones opuestas: una lleva la dirección de 5’ a 3’, y la otra va en la dirección 3’a 5’. Pares de bases complementarias Cada una de las bases que hay a lo largo de una hebra de polinucleótido forma enlaces de hidrógeno con una base específica de la hebra opuesta del ADN. La adenina se enlaza únicamente a timina, y la guanina lo hace únicamente con citosina (fig. 17.7). Los pares A—T y G—C se denominan pares de bases complementarios. El emparejamiento específico de las bases se debe al hecho de que la adenina y la timina pueden formar únicamente 2 enlaces de hidrógeno, mientras que la citosina y la guanina pueden formar 3 enlaces de hidrógeno. Esto explica por qué el ADN tiene cantidades iguales de bases A y T y cantidades iguales de bases G y C.

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Replicación del ADN En la replicación del ADN, las hebras de la molécula original de ADN se separan, permitiendo la síntesis de hebras complementarias. El proceso de replicación comienza con unaenzima, llamada helicasa, que cataliza el desenrollamiento de un fragmento del ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias (ver figura). Una vez formado un par de bases, la ADN polimerasa cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos. Al final, se ha copiado completamente la doble hélice del ADN inicial. En cada nueva molécula de ADN, una hebra de la doble hélice procede de la molécula original, y la otra es una hebra de nueva síntesis. Este proceso conduce a 2 nuevas hebras de ADN denominadas ADN hijas, que son idénticas entre sí y copias exactas del ADN padre original. En el proceso de la replicación del ADN, el emparejamiento de bases complementarias asegura la disposición correcta de las bases en las nuevas hebras de ADN.

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Temperatura de fusión (Tm): es la temperatura que provoca en una disolución de ADN la desnaturalización de la doble cadena. Las cadenas con alto contenido de G-C aumentan la temperatura de fusión del ADN. La temperatura de fusión del ADN, en la mayoría de las especies, varía linealmente entre 70 – 100 º C, cuando la proporción de G-C sobre el total de nucleótidos aumenta entre el 20 – 80 %. Esto es debido a la gran estabilidad de las uniones G-C con tres puentes hidrógenos, frente a las de A -T que tienen dos y son las primeras en desnaturalizarse. Ejercitación 1 1. Escribe la secuencia de bases del segmento complementario de una hebra de ADN con la secuencia de bases — A — C — G — A — T — C — T —.

2. ¿Cuál es la secuencia de bases complementaria de un segmento de ADN con la secuencia de bases — G — G — T — T — A — A — C — C —?

3. En replicación de una hebra original de ADN existe la secuencia de bases AGT. ¿Qué nucleótidos se colocarán al ir creciendo una hebra de ADN hija complementaria de esta secuencia?

4. ¿Cómo se mantienen juntas las 2 hebras de ácidos nucleicos en el ADN? 5. ¿Qué quiere decir el emparejamiento de bases complementarias?

6. Escribe la secuencia de bases en un segmento complementario de ADN si el original tiene la siguiente secuencia de bases: a) — A —G — T — C — C — A — G — G — T — b) — C — T — G — T — A — T — A — C — G — T — T — A —

7. Si la doble hélice del ADN del salmón contiene un 28% de adenina, ¿cuál es el porcentaje de timina, guanina y citosina? 8. ¿Por qué no hay emparejamiento de bases en el ADN entre adenina y guanina o entre timina y citosina?

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4. EL ARN Y EL CÓDIGO GENÉTICO El objetivo: es identificar los diferentes tipos de ARN y describir la síntesis de mARN.

El ácido ribonucleico, ARN, que constituye la mayor parte del ácido nucleico que se encuentra en las células, está involucrado en la transmisión de la información genética necesaria para el funcionamiento celular. Las moléculas del ARN son similares a las del ADN, polímeros de nucleótidos sin ramificar. Sin embargo, hay varias diferencias importantes. 1. El azúcar del ARN es ribosa, en lugar de la desoxirribosa que se encuentra en el ADN. 2. La base uracilo reemplaza a la timina. 3. Las moléculas de ARN son sencillas, no tienen 2 hebras. 4. Las moléculas de ARN son mucho más pequeñas que las moléculas de ADN. Tipos de ARN En las células existen 3 tipos principales de ARN: ARN mensajero, ARN ribosómico y ARN transferencia. El ARN ribosómico (rARN), el tipo de ARN más abundante, está combinado con proteínas en los ribosomas. Los ribosomas, que son los lugares en los que se sintetizan las proteínas, están formados por 2 subunidades, una mayor y otra menor. Las células que sintetizan grandes cantidades de proteínas tienen miles de ribosomas.

El ARN mensajero (mARN) lleva la información genética desde el ADN en el núcleo a los ribosomas del citoplasma para la síntesis de proteínas. Cada gen, un segmento de ADN, forma una molécula separada de mARN cuando es necesaria una determinada proteína en la célula, pero a continuación el mARN se rompe rápidamente. El tamaño del mARN depende del número de nucleótidos de ese gen en particular.

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El ARN transferencia (tARN), la más pequeña de las moléculas de ARN, interpreta la información genética del mARN y lleva los aminoácidos específicos al ribosoma para la síntesis de proteínas. Solamente el tARN es capaz de traducir la información genética en aminoácidos para la síntesis de proteínas. Hay uno o más tARN diferentes para cada uno de los 20 aminoácidos. Las estructuras de los tARN son similares, y consisten en 70-90 nucleótidos. Los enlaces de hidrógeno entre algunas de las bases complementarias en la cadena forman bucles que proporcionan algunas zonas con doble hebra. Aunque la estructura del tARN es compleja, para ilustrar sus características se dibuja como

una

hoja

de

trébol.

Todas

las

moléculas de tARN tienen un extremo 3’ con la secuencia de nucleótidos ACC, que se conoce como tallo aceptor. Una enzima une un aminoácido por formación de un enlace tipo éster con el -OH libre al extremo del tallo aceptor. Cada tARN tiene un anticodón, que es una serie de 3 bases que complementan las 3 bases de un mARN (ver figura).

En la tabla se resumen los 3 tipos de ARN.

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El ARN y la síntesis de proteínas Veamos ahora el conjunto del proceso involucrado en la transferencia de información genética codificada en el ADN para la fabricación de proteínas. En el núcleo, la información genética para la síntesis de una proteína se copia de un gen del ADN para formar un ARN mensajero (mARN), en un proceso llamado transcripción. Las moléculas de mARN salen del núcleo y pasan al citoplasma, donde se combinan con los ribosomas. A continuación, en un proceso llamado traducción, las moléculas de tARN convierten la información del mARN en aminoácidos, que se colocan en la secuencia adecuada para sintetizar la proteína (ver figura).

Figura. La información genética del ADN se replica en la división celular y se emplea para formar ARN mensajeros que codifican los aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas.

Transcripción: síntesis de marn La transcripción comienza cuando la sección del ADN que contiene el gen que se va a copiar se desenrolla. Dentro del ADN desenrollado, una enzima ARN polimerasa emplea una de las hebras como plantilla para sintetizar un mARN. Al igual que en la síntesis del ADN, C se empareja con G, y T se emparejaría con A, pero en el ARN es U (y no T) el que se empareja con A. La ARN polimerasa se mueve a lo largo de la hebra plantilla del ADN, formando enlaces entre las bases. Cuando la ARN polimerasa alcanza el punto de 15

terminación, finaliza la transcripción y se libera el nuevo mARN. La sección desenrollada del ADN vuelve a su estructura de doble hélice (fig. 17.12).

Figura: El ADN experimenta transcripción cuando la ARN polimerasa hace una copia complementaria de un gen utilizando únicamente una de las hebras del ADN como plantilla.

El código genético El código genético consiste en una serie de 3 nucleótidos (triplete) en el mARN, denominados codones, que especifican los aminoácidos y su secuencia en la proteína. Los primeros trabajos sobre la síntesis de proteínas mostraron que los tripletes de uracilo (UUU) repetidos formaban un polipéptido que contenía únicamente fenilalanina. Por tanto, una secuencia de —UUU—UUU—UUU— codifica 3 fenilalaninas.

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Se han determinado los codones para los 20 aminoácidos. Son posibles un total de 64 codones para combinaciones tripletes de A, G, C y U. Tres de ellos —UGA, UAA y UAG— son señales de parada que codifican la terminación de la síntesis de la proteína. Todos los otros codones de 3 bases, que se muestran en la tabla, especifican aminoácidos. Así, un aminoácido puede tener varios codones. Por ejemplo, la glicina tiene 4 codones: GGU, GGC, GGA y GGG. El triplete AUG tiene 2 papeles en la síntesis de proteínas: al principio de un mARN, señala el comienzo de la síntesis de la proteína y en medio de una serie de codones, el codón AUG especifica el aminoácido metionina.

TABLA: Codones de mARN: el código genético para los aminoácidos.

a

Codón que señaliza el comienzo de una cadena peptídica. Los codones de PARADA señalizan el

final de una cadena peptídica.

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5. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Una vez sintetizado el mARN, sale del núcleo y pasa al citoplasma y a los ribosomas. En el proceso de traducción, las moléculas de tARN, los aminoácidos y las enzimas traducen los codones del mARN para fabricar una proteína. Activación del tARN Cada molécula de tARN contiene un bucle denominado un anticodón, que es un triplete de bases que complementa un codón del mARN (ver figura). Un tARN es activado para la síntesis de proteínas por una enzima llamada tARN sintetasa. La sintetasa utiliza el anticodón para unir el aminoácido correcto al tallo aceptor del tARN. Cada sintetasa comprueba la unión de un aminoácido a un tARN e hidroliza cualquier combinación incorrecta.

Figura: un tARN activado con anticodón AGU se una a la serina en el tallo aceptor. Iniciación de la síntesis de proteínas La síntesis de proteínas comienza cuando un mARN se combina con un ribosoma. El primer codón en un mARN es un codón de comienzo, AUG. Por tanto, un tARN con un anticodón de UAC y el aminoácido metionina forman enlaces de hidrógeno con el codón AUG. El tARN que lleva el segundo aminoácido se enlaza al segundo codón del mARN. 18

Con 2 aminoácidos situados muy cerca, se forma un enlace peptídico (fver figura). A continuación, el primer tARN se separa del ribosoma y el ribosoma se desplaza hasta el siguiente codón disponible en el mARN, un proceso denominado translocación. A medida que se mueve el ribosoma a lo largo del mARN, un enlace peptídico une cada nuevo aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento. A veces varios ribosomas, denominados un polisoma, traducen la misma hebra de mARN al mismo tiempo, para formar varias copias de la cadena peptídica a la vez.

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Terminación Finalmente, el ribosoma encuentra un codón de parada, y la síntesis de la proteína termina. La cadena polipeptídica se libera del cromosoma. A menudo el aminoácido inicial metionina se elimina del inicio de la cadena polipeptídica. A continuación las cadenas laterales de los aminoácidos en el polipéptido forman entrecruzamientos que proporcionan la estructura terciaria de una proteína biológicamente activa. Resumen de las etapas Sintesis de proteinas: Nucleo – Transcripción: 1. Se hace el mARN en la plantilla del ADN. 2. El mARN deja el núcleo, se une al ribosoma, y comienza la traducción Citoplasma – Traducción - Terminación: 3. El tARN que llega se une por enlaces de hidrógeno a la secuencia complementaria de mARN (codón). 4. Mientras el ribosoma se mueve a lo largo del mARN, un nuevo aminoácido forma un enlace peptídico con la cadena de proteína en formación 5. El tARN vuelve al citoplasma con todos los demás tARN libres, listo para volver a cargar un nuevo aminoácido. 6. Finalmente, el ribosoma encuentra un codón de parada, y la síntesis de la proteína termina.

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Ejercitación 2 1. ¿Cuáles son los 3 tipos diferentes de ARN y cuales son sus funciones en la celula?

2. La secuencia de bases en una zona de la plantilla del ADN para un mARN es CGATCA. ¿Cuál es e...