Capitulo 11 Biologia - Biología celular y molecular PDF

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MOLECULAR Y BIOLOGIA...

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El dogma central: del DNA al RNA a la proteína el DNA en nuestro genoma contiene toda la información necesaria para construir las proteínas del cuerpo humano, incluidas las necesarias para duplicar el ácido desoxirribonucleico , transcribir el DNA en ácido ribonucleico y para traducir luego el RNA a proteínas. La producción de proteínas requiere DNI RNA, y la replicación del DNA y la producción de RNA Qué quieren proteínas. Esta dependencia mutua crea un problema de huevo y gallina para la evolución. La vida basada en proteínas sería imposible sin DNA o RNA Para codificar la secuencia de la proteína. Y la vida basada en DNA o RNA sería imposible sin las enzimas proteicas para copiar el material genético. Entonces, ¿Cómo podría haber comenzado la vida en primer lugar? como veremos en este capítulo, el RNA puede funcionar como una enzima en algunos casos, y de hecho La catálisis enzimática basada en RNA es parte esencial de la maquinaria para sintetizar proteínas. Aunque en los organismos modernos las enzimas proteicas impulsan la duplicación del DNA, la capacidad de este y del RNA para emparejar bases con nucleótidos libres sugiere un escenario en el cual se formó espontáneamente una secuencia de RNA, que luego pudo auto replicarse, dando lugar en última instancia a propagar copias de sí misma. Esto se conoce como la hipótesis del mundo de RNA, qué propone que la vida comenzó como RNA. Continúa siendo desconocido El aspecto que tendrían exactamente las moléculas de RNA primordiales autopropagables, pero al menos este escenario particular de origen de la vida es comprobable por vía experimental, porque podemos sintetizar moléculas de RNA en laboratorio y evaluar su habilidad para auto replicarse y realizar otras funciones bioquímicas básicas. Es probable que la vida más temprana haya sido una combinación DRNA auto replicante y una membrana simple de algún tipo, qué podía intercambiar selectivamente sustancias químicas con el caldo primordial circundante. A lo largo de este capítulo veremos que el RNA tiene un papel central en la biología molecular quizás al servir como recordatorio de sus orígenes antiguos. 11.1 Relación entre genes, proteínas y RNA Nuestro concepto cambiante del gen refleja, en muchos sentidos, el progreso en la biología durante el siglo pasado. Como resultado del trabajo de Mendel, los biólogos aprendieron que los genes son elementos discretos que rigen la aparición de rasgos específicos. De haber tenido la oportunidad, Mendel habría defendido el concepto de que un gen determina un rasgo. Boveri, Waismann, Sutton Y sus contemporáneos descubrieron que los genes tienen una expresión concreta como parte del cromosoma. Morgan, Sturtevant Y sus colegas demostraron que los genes tienen direcciones específicas: Residen en ubicaciones particulares de cromosomas particulares, y estas direcciones permanecen constantes de un individuo de una especie al siguiente. Griffith, Avery, Hershey y Chase demostraron que los genes estaban compuestos de DNA, y Watson y Crick Resolvieron el rompecabezas de la estructura del DNA, qué explicaba cómo está notable macromolécula podría codificar información hereditaria. Aunque las formulaciones de estos conceptos fueron hitos en el camino hacia la comprensión genética, ninguno de ellos aborto el mecanismo por el cual entra en funcionamiento la información almacenada en un gen para gobernar las actividades celulares. Comenzaremos con conocimientos adicionales sobre la naturaleza de un gen, lo que nos acerca a su papel en la expresión de rasgos heredados. Evidencia de que el DNA es el material genético Que la primera percepción significativa de la función genética ese debe a Archibald Garrod , Un médico escocés que reportó en 1908 que la ausencia de enzimas específicas era la causa de los síntomas que presentaban las personas con ciertas raras enfermedades hereditarias. Una de las enfermedades investigadas por Garrod fue la alcaptonuria, Una condición que se diagnostica claramente porque la orina se oscurece al exponerse al aire. Garrod Descubrió que las personas con alcaptonuria carecían de una enzima en su sangre que oxidaba el ácido Homogentísico , un compuesto

formado durante la descomposición de los aminoácidos fenilalanina y tirosina. A medida que se acumulaba el ácido Homogentísico, se excreta en la orina y su color se oscurece cuando se oxida por el aire. Garrod Había descubierto la relación entre un defecto genético, una enzima específica, y una condición metabólica específica. Llamó a tales enfermedades errores congénitos del metabolismo. Como parece haber sucedido con otras observaciones tempranas de importancia básica en genética, los hallazgos de Garrot no fueron apreciados durante décadas. La idea de que los genes dirigen la producción de enzimas fue resucitada en la década de 1940 por George Beadle y Edward Tatum Del Instituto de Tecnología de California. Estudiaron neurospora, u hongo del pan tropical que crece en un medio muy simple, que contiene una única fuente de carbono orgánico (p. ej., un azúcar) sales inorgánicas y biotina (una vitamina B) . Debido a que se necesita tan poco para vivir, se supuso que neurospora sintetizaba todos sus metabolitos requeridos. Beadle y Tatum Razonaron que un organismo con una capacidad sintética tan amplia debería ser muy sensible a las deficiencias enzimáticas, lo que se podría detectar con facilidad utilizando el protocolo experimental adecuado. Un esquema simplificado de su protocolo se da en la figura 11-1. el plan de Beadle y Tatu m era irradiar esporas de moho y analizarlas en busca de mutaciones que causan que las células carecieran de una enzima particular. Se usó radiación para dañar el DNAY crear cambios en su secuencia (mutaciones). para detectar estas mutaciones que afectan a las enzimas, se analizaron las esporas irradiadas para determinar su capacidad de crecimiento en un medio mínimo, qué parecería que los compuestos esenciales conocidos por ser sintetizados por ese organismo. Si una espora no puede crecer en un medio mínimo, pero una espora genéticamente idéntica puede crecer en un medio suplementados con un compuesto metabólico particular (p. ej., acido pantoténico), Entonces los investigadores podrían concluir que las células tienen una definición enzimática que les impide sintetizar este compuesto esencial. Beadle y Tatum Comenzaron irradiando más de 1000 células. Dos de las esporas demostraron ser incapaces de crecer en el medio mínimo: una necesitaba piridoxina (vitamina B6) y la otra quería tiamina (vitamina B1). Eventualmente, se probó una progenie de aproximadamente 100000 esporas irradiadas, y se aislaron docenas de mutantes. cada mutante tenía un defecto genético, que producía una deficiencia enzimática que impedía que las células catalizarán una reacción metabólica particular: los resultados fueron claros: Un gen lleva la información para la construcción de una enzima particular. Esta conclusión se conoció como la hipótesis un gen, una enzima. Una vez que se supo que las enzimas a menudo están compuestas de más de un polipéptido, cada uno de los cuales está codificado por su propio gen, el concepto se modificó a un gen, un polipéptido. Aunque esta relación Sigue siendo una aproximación cercana de la función básica de un gen , también ha tenido que ser modificada debido al descubrimiento de que un único gen a menudo genera una variedad de polipéptidos, principalmente como resultado del corte y empalme alternativo (discutido en la sección 12.18). También sería evidente que la descripción de un gen de manera estricta como un almacén de la información para polipéptido es una definición demasiado estrecha. Muchos genes codifican moléculas de RNA, que en lugar de contener información para la síntesis de polipéptido s funcionan como RNA en sí mismas. Con esto en mente, podría ser mejor definir un gen como un segmento de DNA que contiene la información para una sola cadena polipeptídica o para una o más RNA funcionales.

Visión general del flujo de información a través de la célula Los genes contienen la información necesaria para fabricar polipéptidos, pero esta información se almacena en una forma inerte, como una tira de bases de DNA Que no puede realizar ninguna función En la célula. La expresión génica se refiere a la producción de un producto funcional (p. ej., una enzima) Usando la información codificada en un gen. la información presente en un segmento de

DNA se pone a disposición de la célula mediante la información de una molécula de RNA. La síntesis de un RNA a partir de una plantilla de DNA se denomina transcripción. El termino transcripción Denota un proceso en el que la información codificada en las 4 letras desoxirribonucleótidas del DNA se reescribe, o se transcribe, en Un lenguaje similar compuesto por 4 letras ribonucleótidos de RNA. Examinaremos el mecanismo de la transcripción en breve, pero primero continuaremos con la función de un gen en la formación de polipéptidos. Los estudios llevados a cabo en la década de 1950 descubrieron la relación entre la información genética y la secuencia de aminoácidos, Pero este conocimiento en sí mismo no proporcionaba ninguna pista sobre el mecanismo por el cual se genera una cadena polipéptica especifica. Como ahora sabemos, hay un intermediario entre un gen y su polipéptido ; el intermediario es el RNA mensajero (mRNA). El descubrimiento trascendental del mRNA fue realizado en 1961 por Francois Jacob y Jacques Monod del Instituto Pasteur de Paris, Sydney Brenner de la Universidad de Cambridge, y Matthew Meselson del Instituto de Tecnología de California. Un RNA Mensajero sí ensamble como una copia complementaria de una de las cadenas de DNA que componen un gen. Debido a que su secuencia de nucleótidos es complementaria a la del gen del cual se transcribe, el mRNA conserva la misma información que para el ensamblaje de polipéptidos que el gen mismo. Por esta razón, un mRNA también se puede describir como cadena de sentido o un mRNA de codificación. Los mRNA eucariotas No se sintetizan en su forma final ( o madura), sino que se deben extraer ( o procesar) a partir de mayores pre-mRNA. En la figura 11 guión dos se ilustra una visión general del papel del mRNA en el flujo de información a través de una célula eucariota. El uso de RNA mensajero permite a las células separar el almacenamiento de la información del uso de esta. Mientras que el gen permanece almacenado en el núcleo como parte de una enorme molécula de DNA eucariota, su información se puede transcribir molécula de DNA estacionaria, su información se de transmitir a un ácido nucleico móvil mucho s pequeño que pasa al citoplasma. Una vez en el citoplasma, el mRNA puede servir como plantilla Con dirigir la incorporación de aminoácidos en un orden particular codificado por la secuencia de nucleótidos del DNA y mRNA. El uso de un RNA mensajero también permite que una célula amplifique en cran medida su salida de síntesis. Una molécula de DNA puede servir como plantilla en la formación de muchas moléculas de mRNA, cada una de las cuales se puede usar en la formación de un gran número de cadenas de polipéptidos. El concepto de un gen con base en DNA que codifica un mensaje basado en RNA, que luego se traduce en una proteína, se conoce como el dogma central. Las proteínas se sintetizan en el citoplasma mediante un complejo proceso llamado traducción genética. La traducción requiere la participación de docenas de diferentes componentes, incluidos los ribosomas. Los ribosomas son “máquinas" complejas y citoplásmicas, que se pueden programar como un ordenador para traducir la información codificada por cualquier mRNA. Los ribosomas contienen tanto proteínas como RNA. Los RNA de un ribosoma se llaman RNA ribosómicos (rRNA, ribosomal RNA), y al igual que los mRNA, cada uno se transcribe a partir de una de las cadenas de DNA de un gen. En lugar de funcionar en una capacidad informativa, los rRNA proporcionan un soporte estructural para construir el ribosoma, y ayudar a catalizar la reacción química en la que los aminoácidos se unen en forma covalente entre sí. Los RNA de transferencia (o tRNA, transfer RNA) constituyen una tercera clase importante de RNA que se requiere durante la síntesis de proteínas. Se requieren RNA de transferencia para traducir la información en código de los nucleótidos del mRNA al “alfabeto” de aminoácidos de un polipéptido. Tanto los rRNA como los tRNA deben su actividad a sus complejas estructuras secundarias y terciarias. A diferencia del DNA, tiene una estructura helicoidal similar de doble cadena que depende de la fuente, muchos RNA se pliegan en una forma bidimensional compleja, que es marcadamente diferente entre un tipo de RNA y otro. Así, al igual que las proteínas, los RNA llevan a cabo una amplia gama de funciones debido a sus diferentes formas. Como ocurre con las proteínas, el plegamiento de las moléculas de RNA sigue ciertas reglas. Mientras que la extracción de residuos

hidrófobos en su interior impulsa el plegamiento de las proteínas, el plegamiento del RNA es impulsado por la formación de regiones que tienen pares de bases complementarias (consúltese FIGURA 11-3). Como se ve en la figura 11-3, es típico que las regiones emparejadas por bases formen “pedúnculos" bicatenarios (y de doble hélice), que están conectados a "bucles” de cadena simple. A diferencia del DNA, que consiste exclusivamente en pares de bases estándar Watson-Crick (G-C, AT), los RNA a menudo contienen pares de bases no estándar (recuadro, véase figura 11-3) y bases modificadas de nitrógeno. Estas regiones no ortodoxas de la molécula sirven como sitios de reconocimiento para proteínas y otros RNA, promueven el plegamiento del RNA, y ayudan a estabilizar la estructura de la molécula. La importancia del apareamiento complementario de bases se extiende mucho más allá de la estructura del tRNA y rRNA. Como veremos a lo largo de este capítulo, el emparejamiento de bases entre moléculas de RNA desempeña un papel central en la mayoría de las actividades en las que están comprometidos los RNA. El papel de los mRNA, rRNA y tRNA se explora en detalle en las siguientes secciones de este capítulo. Las células eucariotas forman una serie de otros RNA, que también desempeñan papeles vitales en el metabolismo celular; estos incluyen RNA pequeños nucleares (snRNA, small nuclear RNA), RNA pequeños nucleolares (snoRNA, small nucleolar RNA), RNA pequeños de interferencia (siRNA, small interfering RNA), piRNA, microRNA (miRNA, microRNA) y una variedad de otros RNA no codificantes, es decir, RNA que no contienen información para secuencias de aminoácidos. La mayoría de estos RNA cumplen una función reguladora, controlando varios aspectos de la expresión génica. Varios de estos RNA han irrumpido en la escena en los últimos años, recordándonos una vez mas que hay muchas actividades celulares ocultas, a la espera de ser descubiertas. Para obtener material de referencia sobre la estructura del RNA se puede revisar la sección 2.18. 11.2 Papel de las RNA polimerasas en la transcripción La transcripción es un proceso en el que una hebra de DNA proporciona la información para la síntesis de una hebra de RNA. Las enzimas responsables de la transcripción en células procariotas y eucariotas se denominan RNA polimerasa dependiente de DNA, o simplemente RNA polimerasas. Estas enzimas son capaces de incorporar nucleótidos, uno a la vez, en una hebra de RNA cuya secuencia es complementaria a una de las hebras del DNA que sirve como plantilla. El primer paso en la síntesis de un RNA es la asociación de la polimerasa con la plantilla del DNA. Esto trae a colación una cuestión de interés más general, a saber, las interacciones específicas de dos macromoléculas, proteínas y ácidos nucleicos muy diferentes. Del mismo modo que diferentes proteínas han evolucionado para unir diferentes tipos de sustratos y catalizar diferentes tipos de reacciones, también algunas de ellas han evolucionado para reconocer y unirse a secuencias específicas de nucleótidos en una hebra de ácido nucleico. El sitio del DNA al que se une una molécula de RNA polimerasa antes de iniciar la transcripción se denomina promotor. Las RNA polimerasas celulares no son capaces de reconocer a los promotores por sí mismas, sino que requieren la ayuda de proteínas adicionales llamadas factores de transcripción. Además de proporcionar un sitio de unión para la polimerasa, el promotor contiene la información que determina cuál de las dos hebras de DNA se transcribe, y el sitio donde comienza la transcripción. La RNA polimerasa se mueve a lo largo de la hebra plantilla de DNA hacia su extremo 5' (es decir, en una dirección 3'-5'). A medida que la polimerasa progresa, el DNA se desenrolla temporalmente y la polimerasa ensambla una hebra complementaria de RNA que crece con inicio en su extremo 5' en una dirección 3' (véase FIGURA 11-4 a,b). La RNA polimerasa cataliza la reacción altamente favorable RNA, + NTP - RNA+1 + PP; donde los sustratos ribonucleótidos trifosfato (NTPs, ribonucleoside triphosphate substrates) se escinden en nucleósidos monofosfatos, a medida que se polimerizan en una hebra covalente (consúltese figura 11-4c). Las reacciones que conducen a la síntesis de ácidos nucleicos (y proteínas)

son intrínsecamente diferentes de las del metabolismo intermediario discutido en el capítulo 3. Mientras que algunas de las reacciones que conducen a la formación de moléculas pequeñas, como los aminoácidos, pueden estar lo suficientemente cerca del equilibrio como para poder medir una reacción inversa considerable, las reacciones que conducen a la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas deben ocurrir bajo condiciones en que virtualmente no hay reacción inversa. Esta condición se cumple durante la transcripción con la ayuda de una segunda reacción favorable PP; – 2P catalizada por una enzima diferente, una pirofosfatasa. En este caso el pirofosfato ( PP; pyrophosphate) producido en la primera reacción se hidroliza a fosfato inorgánico (Pi, inorganic phos La hidrólisis del pirofosfato libera una gran cantidad de libre, y hace que la reacción de incorporación de nucleótidos esencialmente irreversible. A medida que la polimerasa se mueve a lo largo de la plant de DNA, incorpora nucleótidos complementarios en la caden creciente de RNA. Un nucleótido se incorpora en la hebra de RNA si es capaz de formar un par de bases apropiadas (Watson Crick) con el nucleótido en la hebra de DNA que se está transcribiendo. Esto se puede ver en la figura 11-4c) donde la adenosina 5'-trifosfato entrante se empareja con el nucleótido que contiene timina de la plantilla. Una vez que la polimerasa ha pasado un determinado tramo de DNA, la doble hélice del DNA se reforma (como en la figura 114a, b). En consecuencia, la hebra de RNA no permanece asociada con su plantilla como un híbrido DNARNA (excepto por aproximadamente nueve nucleótidos justo detrás del sitio donde la polimerasa está operando). Las RNA polimerasas son capaces de incorporar de 20 a 50 nucleótidos por segundo aproximadamente en una molécula de RNA en crecimiento, y muchos genes en una célula se transcriben simultáneamente por cien o más polimerasas. La frecuencia con la que se transcribe un gen está regulada estrechamente, y puede variar drásticamente en dependencia del gen dado y las condiciones que prevalecen. La micrografía electrónica de la figura 11-4d) muestra una molécula de DNA de fago con varias moléculas de RNA polimerasa enlazadas. Las RNA polimerasas son capaces de formar RNA prodigiosamente largos. En consecuencia, la enzima debe permanecer unida al DNA durante largos tramos de plantilla (se dice enton ces que la enzima es progresiva). Al mismo tiempo, la enzima debe estar asociada de forma bastante libre como para moverse de un nucleótido a otro de la plantilla. Es difícil estudiar ciertas propiedades de las RNA polimerasas, tal como la progresividad, mediante el uso de metodologías bioquímicas que tienden a promediar las diferencias entre las moléculas de las proteínas individuales. En consecuencia, para seguir las actividades de las moléculas de RNA polimerasa individuales, los investigadores han desarrollado técnicas similares a las utilizadas para estudiar los motores citoesqueléticos individuales. Dos ejemplos de tales estudios son representados en la FIGURA 11-5. En ambos ejemplos una sola RNA polimerasa se une a la su...