TEMA 12 - Naturaleza DEL Codigo Genetico Y Sintesis DE Proteinas PDF

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Naturaleza del Código Genético y síntesis de proteínas

TEMA 12

Naturaleza del Código Genético y síntesis de proteínas 1. Proteínas. características generales 1.1

Componentes de las proteínas

Las proteínas son formaciones de macromoléculas que provienen de la unión de moléculas más sencillas llamadas aminoácidos (a.a.). Tan sólo 20 a.a. unidos indistintamente forman las proteínas, de los cuales, diez de ellos son esenciales. Los a.a. son ácidos orgánicos con una función amina unida al Cα y una cadena variable ( -R). Su forma estructural responde a:

H  R  CαCOO

NH3+ 1.2

Propiedades

a) Son anfóteros: Los a.a. pueden comportarse como ácidos o como bases según el pH de la disolución donde se encuentran. - En disolución ácida, el a.a. actúa como base:

R – CH – COOH  NH3+

- En disolución básica, el a.a. actúa como ácido:

R – CH – COO NH2

- En disolución neutra no actúa:

R – CH – COO NH3+ 105

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Punto isoeléctrico: Es el valor de pH para el cual un a.a. presente una carga neta cero o nula (nº cargas positivas = nº cargas negativas). b) Son solubles en agua: Su carácter polar supone que sean más solubles de lo que cabría esperar si consideramos su estructura y su masa molecular. c) Actividad óptica: El Cα es asimétrico, por tanto desvían la luz polarizada, a la derecha, a.a. dextrógiros; a la izquierda, a.a. levógiros. También presentan estereoisómeros D o L. COOH  H - Cα - NH2  R

HCOO  H2N - Cα-H  R

D- a.a.

L- a.a.

1.3 Clasificación de los aminoácidos Se clasifican teniendo en cuenta la cadena lateral ( -R), formándose cuatro grupos: 1) 2) 3) 4)

R R R R

no polar o hidrofóbico polar sin cargas cargados negativamente con cargas positivas

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CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

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1.4

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Enlace peptídico

Es un enlace fuerte que se forma por la unión de un a.a. a través de su grupo amino, con el grupo carboxilo de otro a.a., desprendiéndose agua.

O

O H   R’ – CH – C → R – CH – C – N – CH – COOH + H2O  OH   H-N-H NH2 R’ O

R – CH – C +  OH NH2

Las características que tiene el enlace peptídico influyen en la estructura de las proteínas: a) La unión C – N es muy rígida, se sitúa en el mismo plano y no permite movimientos de rotación. b) Los Cα situados a ambos lados del enlace, tienen una gran capacidad de rotación; esto permite que las proteínas tengan conformación (estructura) espacial.

Cα H C

-

N

O Cα

Denominamos péptidos a las sustancias formadas por la unión de a.a., mediante enlace péptido: a.a. + a.a. ---------------- Dipéptido + agua a.a. + a.a. + a.a. -------- Tripéptido + agua “ “ “ 10 a.a. ------------------- Oligopéptido + agua “ “ “ 100 a.a. ------------------ Polipéptido + agua + 100 a.a. --------------- Proteínas (polipéptidos complejos)

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2. Organización estructural de las proteínas La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales. 2.1

Estructura primaria o planar

La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué a.a. componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos a.a. se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte. Todas las proteínas presentan un extremo N-terminal, en el que se encuentra el primer a.a. con su grupo amino libre, y un extremo C-terminal, en el que está situado el último a.a. con su grupo carboxilo libre. La secuencia de una proteína se escribe enumerando los a.a. desde el extremo N-terminal hasta el C-terminal. ESTRUCTURA PRIMARIA O PLANAR DE LA PROTEÍNA

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2.2

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Estructura secundaria

La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de a.a. o estructura primaria en el espacio. Los a.a., a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de las proteínas, y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable. Son conocidos tres tipos de estructura secundaria:  Hélice de colágeno El colágeno posee una disposición en hélice especial, algo más alargada que la α - hélice, debido a la abundancia de prolina e hidroxiprolina, a.a. que no pueden formar puentes de hidrógeno, dando lugar a la aparición de una hélice más extendida. Presenta tres a.a. por vuelta. La estabilidad de la hélice de colágeno se debe a la asociación de tres hélices, que originan una superhélice o molécula completa de colágeno. Las tres hélices se unen mediante enlaces covalentes y enlaces débiles de tipo puente de hidrógeno.

 α - Hélice Esta estructura se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Esto se debe a la formación de enlace de hidrógeno entre el – C = O de un a.a. y el – NH – del cuarto a.a. que le sigue.

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Por ello, todos estos átomos de oxígeno quedan orientados en la misma dirección, mientras que todos estos grupos aminos quedan orientados en la dirección contraria. Presenta este tipo de estructura la α - queratina.

ESTRUCTURA SECUNDARIA DE LA PROTEÍNA: α - hélice

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 Conformación - β ó β - plegada La estructura primaria de una proteína también puede adoptar una disposición β. En esta disposición los a.a. no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag. Ello es debido a que no existen puentes de hidrógeno entre ellos. La estabilidad de esta disposición se mantiene gracias a la asociación de varias moléculas, con conformación - β. Entre estas moléculas se establecen puentes de hidrógeno. Se forma así una lámina en zigzag, denominada disposición en lámina plegada. Ésta también se puede formar entre los distintos segmentos de una misma cadena polipeptídica con conformación -β, que quedan próximos al replegarse la cadena. Presenta esta estructura secundaria la β - queratina de la seda o fibroína.

ESTRUCTURA SECUNDARIA DE LA PROTEÍNA: β - queratina

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2.3

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Estructura terciaria

La estructura terciaria de una proteína informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular. La conformación globular en las proteínas facilita su solubilidad en agua y en disoluciones salinas. Esto les permite realizar funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. Las conformaciones globulares se mantienen estables por la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces: uno fuerte de tipo covalente, el puente disulfuro, y otros débiles como el puente de hidrógeno, etc. Existen combinaciones de α-hélice y conformación-β que aparecen repetidamente en proteínas distintas. Estas combinaciones que suelen ser estables reciben el nombre de dominios estructurales. Las proteínas que no llegan a formar estructuras terciarias mantienen su estructura secundaria alargada, dando lugar a las llamadas proteínas filamentosas, que son insolubles en agua y en disoluciones salinas (colágeno).

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2.4

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Estructura cuaternaria

La estructura cuaternaria informa de la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes), de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, idénticas o no, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. Según el número de protómeros que se asocia, las proteínas que tienen estructura cuaternaria se denominan dímeros, como la hexoquinasa: tetrámeros, como la hemoglobina; pentámeros, como la ARN – polimerasa: y polímeros. 3. Propiedades esenciales de las proteínas 3.1

Solubilidad

Las proteínas pueden ser solubles en agua y disoluciones salinas o insolubles. Esta propiedad depende de la masa molecular, estructura, pH del medio, temperatura y tipo de radical. El agua impide que las macromoléculas de las proteínas se unan entre sí y precipiten (formación de coágulos). 3.2

Especificidad

Las proteínas son propias de cada especie, independientemente del organismo de que se trate. Si comparamos especies distintas, la mayor o menor semejanza de sus proteínas, estará relacionada con su parentesco evolutivo; cuanto más próximo, aumentan las semejanzas en sus proteínas. Si analizamos la secuencia de a.a. en proteínas que desempeñan la misma función en distintas especies, variará sólo en algunos a.a. específicos, y nos permitirá reconstruir árboles genealógicos. La especificidad de las proteínas explica que se produzcan rechazos a órganos transplantados y a transfusiones de sangre. 3.3

Desnaturalización

Es la pérdida o destrucción de las estructuras 2ª y 3ª a consecuencia de la ruptura de los enlaces débiles que las constituyen. Esta alteración de la estructura tridimensional supone la pérdida de la actividad biológica. Si el proceso de desnaturalización es suave, puede ser reversible recuperando posteriormente, la proteína, su estructura espacial, es decir, su renaturalización.

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4. Funciones biológicas de las proteínas Forman parte de la estructura de la membrana Proteínas de la membrana Actúan como receptores de señales químicas (ej: hormonas) emitidas por otras células Actúan como transportadores de ciertas Función sustancias entre el exterior y el interior estructural de la membrana Proteínas tubulares Forman parte del esqueleto celular (citoesqueleto) Colágeno Presente en el tejido conjuntivo y óseo, forma fibras que une unos tejidos con otros. Elastina Participa en la constitución de los vasos sanguíneos. Queratinas Son proteínas que forman parte del pelo, uñas y astas de los animales. Insulina, Glucagón, Controlan el metabolismo de los HC y preparan al individuo para un ejercicio Adrenalina Función hormonal violento. Hormonas de la hipófisis Controlan la secreción hormonal de las glándulas endocrinas. Función Globulinas G, M, A, D y E Son anticuerpos. inmunológica Albúminas En la sangre transportan lípidos y otras sustancias insolubles en agua. Hemoglobina Transporta oxígeno en la sangre desde Función los pulmones hasta los tejidos. transportadora Mioglobina Transporta oxígeno desde la sangre hasta las células musculares. Transportan electrones en las reacciones Citocromos redox que se establecen desde el sustrato que se oxida hasta el aceptor final de electrones. Histonas Forman parte de los cromosomas de células eucariontes. Intervienen en procesos de diferenciación celular. Fibrinógeno Está relacionado con la coagulación de la sangre. Otras funciones Actina y miosina Son responsables de la contracción muscular y, por tanto, de la locomoción. Enzimas Tienen una función catalizadora.

5. Traducción La secuencia específica de aminoácidos de un polipéptido está determinada por la secuencia de nucleótidos del gen en que está cifrada. La secuencia de nucleótidos del DNA de un gen se transcribe a mRNA. Hay que tener en cuenta que es la cadena molde del DNA la que se transcribe, y que el mRNA tiene la misma secuencia que la cadena antisentido. Una legión de ribosomas se traslada a lo largo del mRNA, cada uno empezando en el extremo 3’

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del mRNA. A medida que el ribosoma se desplaza, “lee” la secuencia nucleotídica del mRNA de tres en tres nucleótidos. Cada grupo de tres, denominado codón triplete, dicta la incorporación de una aminoácido específico. Puesto que hay cuatro nucleótidos diferentes en el mRNA, existen 4x4x4=64 codones posibles diferentes en el mRNA. Estos codones y los aminoácidos cifrados en ellos se muestran en la figura 3.18. Prácticamente todos los organismos de este planeta utilizan este código genético. Existen algunas excepciones en las que algunos de los codones tienen significados diferentes. Si se produce una inserción o deleción en un gen, es decir, un triplete gana o pierde un nucleótido o más, se dice que se ha producido una mutación y, por tanto, varía la fase de lectura del mensaje y con ello también varía el gen. Ejemplo: Supongamos que tenemos el mensaje: Deleción de H

CON TEO HAN IDO DOS MAS Si se produjera una deleción, el mensaje resultante quedaría:

CON TEO ANI DOD OSM AS El mensaje ha variado a partir de la deleción; y, lo mismo ocurre si se produce una inserción: Inserción de E

CON TEO ANI DOD OSM AS Si se produce una inserción en el lugar de la I e introducimos una E, ocurre que:

CON TEO ANE IDO DOS MAS Se produce un cambio pero el mensaje varía menos. Por tanto, podemos observar que si quitamos tres nucleótidos de golpe, el mensaje varía ligeramente ya que solamente perdemos una palabra del mensaje. Eliminación del triplete

CON TEO HAN IDO DOS MAS El mensaje quedaría:

CON TEO HAN IDO MAS También se pudo observar de que la lectura del mensaje estaba polarizado siempre en el mismo sentido. Como hay 64 combinaciones y solo 24 aminoácidos, el código genético está degenerado y por tanto hay aminoácidos

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que están codificados por más de un triplete. Esto implica que si conocemos la secuencia de los nucleótidos en el mensajero, podemos determinar la secuencia de aminoácidos en la proteína. ------ TTG TTG ATA AAG CC ----5’ ---- AUG UUG AUA AAG CC------- 3’ mensajero

⇒

met – leu – Ile -Lys

pero, no podría hacerse al contrario ya que si secuenciamos una proteína no podemos determinar el mensaje del mensajero al estar el código degenerado. Si nos fijamos en el código genético, es el tercer nucleótido del triplete el que varía. Aparte, hay tripletes que no codifican para aminoácidos, como es el caso de UAA, UAG y UGA, denominados codones de parada o stop, y sirven para poner fin a la síntesis de la proteína. También existe un codón de iniciación, AUG que codifica para la metionina. Además, en el mensajero, las regiones antes y después de estos codones (iniciación y parada) se definen regiones no codificantes. El código genético es un lenguaje universal con muy pocas excepciones, y gracias a ello se puede hacer ingeniería genética.

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La base de la especificidad entre un codón y un aminoácido recae en la estructura de las moléculas de tRNA que adoptan una forma de hoja de trébol compuesta por cuatro tramos de doble cadena y tres bucles de cadena sencilla. El bucle central contiene un triplete de nucleótidos denominado anticodón, cuya función es la de unirse a un codón específico del mRNA mediante emparejamientos RNA-RNA específicos. Puesto que los codones están orientados 5’-3’, los anticodones están orientados en la dirección 3’-5’. Cada tRNA es específico de un único aminoácido y transporta ese aminoácido hasta el mRNA. Los aminoácidos se añaden al tRNA por enzimas denominadas sintetasas de aminoacil-tRNA.

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6. Ribosomas: Factorías de proteínas El punto de encuentro para los tRNA portadores de aminoácidos y el mRNA es el ribosoma. Los ribosomas son ensamblajes macroproteicos constituidos por una subunidad grande y otra pequeña. Los ribosomas contienen sitios específicos que les permiten unirse al mRNA, a los tRNA y a otros factores proteicos específicos, todos ellos necesarios para la síntesis de proteínas. En la figura 3.22 se muestra la síntesis de un polipéptido en el ribosoma. El mRNA se une a la subunidad pequeña. Los tRNA se unen al sitio A del ribosoma, punto de entrada para un aminoacil-tRNA (un tRNA portador de un aminoácido). El peptidil-tRNA, portador de la cadena polipeptídica creciente, se une al sitio P. Cada aminoácido nuevo se añade por transferencia de la cadena creciente al nuevo aminoacil-tRNA, dando lugar a la formación de un nuevo enlace peptídico. El tRNA que ha transferido su aminoácido se disocia entonces del sitio P, y el ribosoma se traslada un codón hacia delante a lo largo del mensaje, transfiriendo el nuevo peptidil-tRNA al sitio P, y dejando vacante el sitio A para el siguiente aminoacil-tRNA entrante.

La acción del ribosoma durante su movimiento se divide en tres pasos: iniciación, elongación y terminación.

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6.1 Iniciación Existe un codón de iniciación que marca la pauta de lectura del gen y siempre es AUG que codifica para metionina. Esto quiere decir que antes del AUG y después del codón de finalización existen regiones en el mARN que no se traducen y se denominan “regiones 5’ y 3’ no codificantes”. 6.2 Elongación En la elongación colaboran varias proteínas, denominadas factores de elongación, que guían la unión y el movimiento de los tRNA y el ribosoma. La energía que impulsa el proceso proviene de la hidrólisis de GTP. 6.3 Terminación En la figura 3.18 podemos observar que algunos codones no determinan aminoácido alguno. Estos codones, UAG, UGA y UAA, se denominan codones stop o codones de terminación. Pueden considerarse como signos de puntuación que determinan el fin del mensaje cifrado por el mRNA. A menudo se dice que son codones sin sentido porque no designan ningún aminoácido, aunque es una denominación engañosa, ya que la puntuación es una parte importante del sentido de cualquier mensaje. Curiosamente, los tres codones de terminación no son reconocidos por un tRNA, sino por factores proteicos denominados factores de terminación. Cuando el peptidil-tRNA se encuentra en el sitio P, los factores de terminación se unen al sitio A en respuesta a los codones terminadores. El polipéptido entonces se libera del sitio P, las dos subunidades del ribosoma se disocian y la traducción finaliza. Por tanto, la traducción se lleva a cabo por ribosomas que se trasladan a lo largo del mRNA en la dirección 5’-3’ a partir del primer codón con sentido (metionina). A partir de entonces, un conjunto de moléculas de tRNA aportan aminoácidos al ribosoma en movimiento, cuando sus anticodones se unen a los codones expuestos en el ribosoma.

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