Asignatura: Biología II UNIDAD I REPRODUCCION Y HERENCIA
Tema: 1.1 GENÉTICA MOLECULAR Lectura No. 1
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1.-Explicar la Genética Molecular mediante el análisis descriptivo de la estructura y función del ADN, la síntesis de proteínas y secuencia de aminoácidos que se relacionan con el código genético.
2.- Representar gráficamente los conceptos y sus relaciones
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Bibliografía.
Curtis. Biologia
Purves, et al. Vida. La Ciencia de la Biología.
http://www.um.es/molecula/anucl02.htm
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INSTRUCCIONES: Lee con atención el siguiente documento, contesta las preguntas que se te plantean y resuelve el ejercicio que aparece al final de la lectura.
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1.- COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
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Son biopolímeros formados por unidades llamadas monómeros, que son los nucleótidos.
Los nucleótidos están formados por la unión de:
a) Una pentosa, que puede ser la Ribosa en el ARN;
o la Desoxirribosa en el ADN.
b) Una base nitrogenada, que puede ser:
- Purina, como la Guanina (G) y la Adenina (A)
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- Pirimidína, como la Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U)
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C) Ácido Fosfórico (H3PO4), que en la cadena de ácido nucleico une dos pentosas a través de una unión fosfodiester.
Esta unión se hace entre el C-3´de la pentosa, con el C-5´de la segunda.
A la unión de una pentosa con una base nitrogenada se le llama nucleósido. Esta unión se hace mediante un enlace glucosídico.
- Si la pentosa es una ribosa, tenemos un ribonucleósido.
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Estos tienen como bases nitrogenadas la Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U).
- Si la pentosa es un desoxirribosa, tenemos un desoxirribonucleósido. Estos tienen como bases nitrogenadas Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T).
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El enlace -glucosídico se hace entre el
a) C-1´de la pentosa y el N-9 de la base púrica, como la guanina y la adenina.
(enciérralos en un circulo de color rojo)
b) C-1´de la pentosa y el N-1 de la base pìrimidínica, como la timina y citosina.
(enciérralos en un circulo de color rojo)
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I.-¿Que es un biopolímero?: II.- ¿Cuando es un nucleósido y cuando es un nucleótido?.
2.- Tipos de ácidos nucleicos.
Atendiendo a su estructura y composición existen dos tipos de ácidos nucleicos que son:
a) Ácido desoxirribonucleico o ADN o DNA
b) Ácido ribonucleico o ARN o RNA
Cada molécula tiene una orientación definida, por lo que la cadena es carbono5´-> carbono3´.
Los ácidos nucleicos están formados, por la polimerización de muchos nucleótidos, los cuales se unen de la siguiente manera: 3´-pentosa-5´-fosfato---3´-pentosa-5´fosfato-----
Monómero(unidad) polimerizar polímero(conjunto)
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III.-¿Qué significa polimerizar?: (remarca en color rojo los sitios en los que se unen los nucleótidos)
3.- Ácido DesoxirriboNucleico o ADN o DNA.
El ADN es el portador de la información genética,. El 100% de información que constituye a un ser vivo esta en el ADN,se puede decir por tanto, que los genes están compuestos por ADN.
A.- ESTRUCTURA. Biopolímero que está formado por la unión de muchos desoxirribonucleótidos. La mayoría de las moléculas de ADN poseen dos cadenas antiparalelas ( una 5´-3´y la otra 3´-5´) unidas entre sí mediante las bases nitrogenadas, por medio de puentes de hidrógeno.
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La Adenina enlaza con la Timina, mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que la Citosina enlaza con la Guanina, mediante tres puentes de hidrógeno.
3.1- ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN
Se trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las cadenas.
La información genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos.
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3.2 ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN
Es una estructura en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN.
Postulada por Watson y Crick, basándose en: - La difracción de rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins
- La equivalencia de bases de Chargaff,que dice que la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas más citosinas.
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Es una cadena doble, ambas cadenas son complementarias, pues la Adenina de una se une a la Timina de la otra, y la Guanina de una a la Citosina de la otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´de una se enfrenta al extremo 5´de la otra.
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3.3- ESTRUCTURA TERCIARIA DEL ADN.
Se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariontes o eucariontes:
a) En procariontes se pliega como una super-hélice en forma, generalmente, circular y asociada a una pequeña cantidad de proteinas. Lo mismo ocurre en la mitocondrias y en los plastos.
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b) En eucariontes el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto y para esto necesita la presencia de proteinas, como son las histonas y otras de naturaleza no histona (en los espermatozoides las proteinas son las protaminas). A esta unión de ADN y proteinas se conoce como cromatina, en la cual se distinguen diferentes niveles de organización:
- Nucleosoma, - Collar de perlas, - Fibra cromatínica, - Bucles radiales y - Cromosoma.
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Fig. 3 La fibra de 2000A del cromosoma eucariótico es una estructura tipo solenoide formada por el enrollamiento de la fibra de 300A la cual es en si misma un solenoide.
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Fig.1 El cromosoma eucariótico esta asociado con proteínas formando los nucleosomas. El corazón proteico esta rodeado por dos vueltas de DNA (DNA-núcleo). El DNA que conecta dos nucleosomas consecutivos se denomina DNA-puente.
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Fig. 2. Modelo solenoide para la formación de la fibra cromatinica de 300A. El DNA nucleosomico se enrolla de manera helicoidal dejando un hueco central.
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IV.- ¿Qué características presentan las células eucariontes?
V.- ¿Qué es un cromosoma?
4.- ARN o ÁCIDOS RIBONUCLEICO o RNA
A.- ESTRUCTURA. Está formado por la unión de muchos ribonucleótidos, los cuales se unen entre ellos mediante enlaces fosfodiester en sentido 5´-3´( igual que en el ADN ).
Están formados por una sola cadena, a excepción del ARN bicatenario de los reovirus.
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ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ARN
Al igual que el ADN, se refiere a la secuencia de las bases nitrogenadas que constituyen sus nucleótidos
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ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ARN
Alguna vez, en una misma cadena, existen regiones con secuencias complementarias capaces de aparearse.
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ESTRUCTURA TERCIARIA DE ARN
Es un plegamiento, complicado, sobre al estructura secundaria.
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B.- CLASIFICACIÓN DE LOS ARN.
Para clasificarlos se adopta la masa molecular media de sus cadenas, cuyo valor se deduce de la velocidad de sedimentación de la masa molecular y por tanto sus dimensiones se miden en svedberg (S). Según esto tenemos:
ARN MENSAJERO (ARNm)
Sus características son la siguientes:
- Cadenas de largo tamaño con estructura primaria.
- Se le llama mensajero porque transporta la información necesaria para la síntesis proteica.
- Cada ARNm tiene información para sintetizar una proteina determinada.
- Su vida media es corta.
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a) En procariontes el extremo 5´posee un grupo trifosfato
b) En eucariontes en el extremo 5´posee un grupo metil-guanosina unido al trifosfato, y el el extremo 3´posee una cola de poli-A.
En los eucariontes se puede distinguir también:
- Exones, secuencias de bases que codifican proteinas
- Intrones, secuencias sin información.
Un ARNm de este tipo ha de madurar (eliminación de intrones) antes de hacerse funcional.
Antes de madurar, el ARNm recibe el nombre de ARN heterogeneonuclear (ARNhn ).
ARN RIBOSÓMICO (ARNr)
Sus principales características son:
- Cada ARNr presenta cadena de diferente tamaño, con estructura secundaria y terciaria.
- Forma parte de las subunidades ribosómicas cuando se une con muchas proteinas.
- Están vinculados con la síntesis de proteinas.
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ARN NUCLEOLAR (ARNn)
Sus características principales son:
- Se sintetiza en el nucleolo.
- Posee una masa molecular de 45 S, que actua como precursor de parte del ARNr, concretamente de los ARNr 28 S (de la subunidad mayor), los ARNr 5,8 S (de la subunidad mayor) y los ARNr 18 S (de la subunidad menor)
ARNu
Sus principales características son:
- Son moléculas de pequeño tamaño
- Se les denomina de esta manera por poseer mucho uracilo en su composición
- Se asocia a proteinas del núcleo y forma ribonucleoproteinas pequeño nucleares (RNPpn) que intervienen en:
a) Corte y empalme de ARN
b) Maduración en los ARNm de los eucariontes
c) Obtención de ARNr a partir de ARNn 45 S.
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ARN TRANSFERENCIA (ARNt)
Sus principales características son.
- Son moléculas de pequeño tamaño
- Poseen en algunas zonas estructura secundaria, lo que va hacer que en las zonas donde no hay bases complementarias adquieran un aspecto de bucles, como una hoja de trebol.
- Los plegamientos se llegan a hacer tan complejos que adquieren una estructura terciaria
- Su misión es unir aminoácidos y transportarlos hasta el ARNm para sintetizar proteinas.
El lugar exacto para colocarse en el ARNm lo hace gracias a tres bases, a cuyo conjunto se llaman anticodón (las complementarias en el ARNm se llaman codón).
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C.- SINTESIS Y LOCALIZACIÓN DE LOS ARN
En la célula eucarionte los ARN se sintetizan gracias a tres tipos de enzimas:
- ARN polimerasa I, localizada en el nucleolo y encargada de la sinteis de los ARNr 18S, 5,8S y 28S.
- ARN polimerasa II, localizada en el nucleoplasma y se encarga de la síntesis de los ARNhn, es decir de los precursores de los ARNm
- ARN polimerasa III, localizada en el nucleoplasma y sintetiza los ARNr 5 S y los ARNm.
5.- FUNCIONES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
Entre las principales funciones de estos ácidos tenemos:
- Duplicación del ADN,
- Expresión del mensaje genético:
- Transcripción del ADN para formar ARNm y otros
- Traducción, en los ribosomas, del mensaje contenido en el ARNm a proteinas.
SINTESIS DE PROTEINAS
Cuatro son las reglas que siguen las células para la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos:
1.- Las proteínas y los ácidos nucleicos están compuestos por un número limitado de subunidades: en el caso de las proteínas, son 20 los aminoácidos que constituyen estas subunidades, mientras que sólo cuatro bases nucleicas son utilizadas para construir el RNA o el DNA.
2.- Durante el proceso de polimerización, las subunidades son añadidas una a una: en el caso de las proteínas, la síntesis empieza en el grupo NH2 del aminoácido inicial y continua hasta el -COOH del aminoácido terminal; en el caso de los ácidos nucleícos, la síntesis comienza por el extremo 5' y prosigue hasta el extremo 3´.
3.- Cada cadena tiene un punto específico de iniciación y el crecimiento procede en una dirección hasta una terminación también especificada. Esto requiere unas señales de inicio y de fin.
4.- El producto sintético primario no es usualmente empleado como tal sino que es modificado. Mediante una serie de enzimas, las cadenas de polímeros experimentan una serie de transformaciones (rotura, unión a otra cadena, entrecruzamiento, etc)
Describir la síntesis de proteínas y del DNA dentro de una célula es como describir un círculo.
El DNA dirige la síntesis del RNA; el RNA dirige la síntesis de proteínas y, finalmente, una serie de proteínas específicas catalizan la síntesis tanto del DNA como del RNA.
Las instrucciones para construir las proteínas están codificadas en el DNA y las células tienen que traducir dicha información a las proteínas. El proceso consta de tres etapas:
1.- TRANSCRIPCION: es el proceso durante el cual la información genética contenida en el DNA es copiado a un RNA de una cadena única llamado RNA-mensajero. La transcripción es catalizada por una enzima llamada RNA-polimerasa. El proceso se inicia separándose una porción de las cadenas de DNA: una de ellas, llamada hebra sentido es utilizada como molde por la RNA-polimerasa para incorporar nucleótidos con bases complementarias dispuestas en la misma secuencia que en la
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hebra anti-sentido, complementaria de la hebra sentido inicial. La única diferencia consiste en que la timina (T) del DNA inicial es sustituída por uracilo (U) en el RNA mensajero. Así, por ejemplo, una secuencia ATGCAT de la hebra sentido del DNA inical producirá una secuencia UACGUA.
Además de las secuencia de nucleótidos que codifican proteínas, el RNA mensajero copia del DNA inicial unas regiones que no codifican proteínas y que reciben en nombre de intrones. Las partes que codifican proteínas se llaman exones. Por lo tanto, el RNA inicialmente transcrito contiene tanto exones como intrones. Sin embargo, antes de que abandone el núcleo para dirigirse al citoplasma donde se encuentran los ribosomas, este RNA es procesado mediante operaciones de "corte y empalme", eliminándose los intrones y uniéndose entre sí los exones.
Este RNA-m maduro es el que emigra al citoplasma. Un único gen puede codificar varias proteínas si el RNA-m inicial puede ser cortado y empalmado de diversas formas. Esto ocurre, por ejemplo, durante la diferenciación celular en donde las operaciones de corte y pegado permite producir diferentes proteínas. Además de utilizarse como molde para la síntesis del RNA-m, el DNA también permite la obtención de otros dos tipos de RNA:
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El RNA de transferencia (t-RNA) que se une específicamente a cada uno de los 20 aminoácidos y los transporte al ribosoma para incorporarlos a la cadena polipeptídica en crecimiento. El RNA ribosómico (r-RNA) que conjuntamente con las proteínas ribosómicas constituye el ribosoma.
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TRADUCCION:
El m-RNA maduro contiene la información para que los aminoácidos que constituyen una proteína se vayan añadiendo según la secuencia correcta. Para ello, cada triplete de nucleótidos consecutivos (codón) especifica un aminacido. Dado que el m-RNA contiene 4 bases, el número de combinaciones posibles de grupos de 3 es de 64, número más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos. De hecho, un aminoácido puede ser coficado por varios codones.
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SÍNTESIS
La síntesis de proteínas tiene lugar de la manera siguiente:
Iniciación: Un factor de iniciación, GPT y metionil-tRNA[Met] forman un complejo que se une a la subunidad ribosómica grande. A su vez, el m-RNA y la subunidad ribosómica pequeña se unen al encontrar esta última el codón de iniciación que lleva el primero. A continuación ambas subunidades ribosómicas se unen. El metionil-tRNA[met] está posicionado enfrente del codón de iniciación (AUG). El GPT y los factores de iniciación de desprenden quedando el tRNA[Met] unido al ribosoma.
Elongación: Un segundo aminoacil-tRNA (en el ejemplo Phe-tRNa[Phe]) se coloca en la posición A de la subunidad grande del ribosoma. Un complejo activado por GPT se ocupa de formar el enlace peptídico quedando el peptido en crecimiento unido al aminoacil-tRNA entrante. Al mismo tiempo, el primer t-RNA se separa del primer aminoácido y del punto P del ribomosa.
El ribosoma se mueva un triplete hacia la derecha, con los que el peptidil-tRNA[Phe] queda unido al punto P que había quedado libre. Un tercer aminoacil-tRNA (en el ejemplo Leu-tRNA[Leu]) se coloca en la posición A y se repite el proceso de formación del enlace peptidico, quedando el peptido en crecimiento unido al Leu-tRNA[Leu] entrante. Se separa el segundo t-RNA del segundo aminoacido y del punto P del ribosoma.
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Terminación: el m-RNA que se está traduciendo lleva un codón de terminación (UAG). Cuando el ribosoma llega a este codón, la proteína ensamblada es liberada y el ribosoma se fragmenta en sus subunidades quedando listo para un nuevo proceso.
En el proceso que acabamos de describir, el ribosoma se desplazaba a lo largo de una hebra de m-RNA leyendo los tripletes de uno en uno. La síntesis de proteínas progresa a razón de 15 aminoácidos/segundo. Dada la longitud del m-RNA, varios ribosomas pueden ir leyendo codones y sintetizando proteínas. El conjunto se denomina poliribosoma
A partir del anterior proceso se puede definir como gen un conjunto de nucleótidos de una molécula de DNA que sirve como molde para la producción de una proteína o una familia de proteínas si se producen operaciones de corte y empalme en el RNA. Como usualmente una proteína tiene entre 100 y 1000 aminoacidos, el m-RNA maduro contendrá entre 300 y 3000 nucleótidos. El tamaño del gen dependerá, de los intrones que tenga.
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ACTIVIDAD A REALIZAR
Desarrollaras un ejercicio de síntesis de proteínas a partir de la siguiente secuencia de ADN la cual representa un segmento de información (gen) suficiente para codificar una proteína. Sacaras 5 copias de la estructura del DNA (página 11), las recortaras y pegaras en papel bond según corresponda.
El problema a resolver consiste en que:
a) Siguiendo los pasos de la SINTESIS DE PROTEINAS, identificaras cual es la proteína que codifica esta secuencia génica y
b) Determinar cual es la secuencia génica para las otras proteínas.
c) Investiga cual es la función de cada una de las cuatro proteínas problema.
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D N A
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AMINOACIDOS
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PROTEINAS
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A - T
C - G
A - T
C - G
T - A
C - G
G - C
G - C
T - A
A - T
G - C
T - A
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TREONINA LEUCINA
A C A C U C
GLICINA SERINA
G G U A G U
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HEMOGLOBINA
TREO-LEU-GLI-SER
INSULINA
GLI-SER-TREO-LEU
MIOSINA
SER-LEU-TRO-GLI
MELANINA
LEU- TREO- GLI- SER
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ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN
(esta figura la fotocopiaras 5 veces)
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ARN TRANSFERENCIA (ARNt)
-Su misión es unir aminoácidos y transportarlos hasta el ARNm para sintetizar proteinas.
-El lugar exacto para colocarse en el ARNm lo hace gracias a tres bases, a cuyo conjunto se llaman anticodón (las complementarias en el ARNm se llaman codón).
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