Duplicación del ADN y síntesis de proteínas
Camila no puede tomar leche: le cae pesada porque su intestino fabrica muy poca lactasa, la enzima que digiere la lactosa. Un amigo suyo toma licuados sin problema. Los dos tienen células con ADN, pero la cantidad de proteína útil que producen es distinta. ¿Cómo se pasa de una secuencia de letras en el ADN a una enzima que funciona (o que no)? Y, para la evolución, ¿qué pasa si una de esas letras cambia? Este apartado arma el puente entre el ADN y el fenotipo, y es la base para entender las mutaciones.
Del ADN a la proteína: el esquema general
Las características de un organismo (su fenotipo) dependen sobre todo del tipo y la cantidad de proteínas que fabrican sus células: enzimas, proteínas estructurales, hormonas, receptores. El ADN no hace esas cosas directamente: guarda las instrucciones para construir las proteínas.
Cada gen es un tramo de ADN con las instrucciones de una proteína (o de un ARN funcional). El camino de la información tiene tres procesos:
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Duplicación (o replicación): el ADN se copia a sí mismo. Pasa antes de que la célula se divida.
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Transcripción: un gen se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm).
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Traducción: el ARNm se «lee» en los ribosomas y se arma la cadena de aminoácidos de la proteína.
A este flujo se lo llama dogma central de la biología molecular.
Fijate que la información va en un solo sentido principal: del ADN al ARN y del ARN a la proteína. Una proteína nunca vuelve a dictar su propia secuencia al ADN.
Completá la relación entre los siguientes términos, explicando brevemente qué es cada uno: codón, anticodón y aminoácido. Indicá además en qué organela de la célula…
Completá la relación entre los siguientes términos, explicando brevemente qué es cada uno: codón, anticodón y aminoácido. Indicá además en qué organela de la célula ocurre la traducción.
Duplicación del ADN
Cada célula hija tiene que recibir una copia completa del ADN. Por eso, antes de dividirse, la célula duplica su ADN en la fase S de la interfase.
El mecanismo se llama semiconservativo: cada molécula nueva está formada por una hebra vieja (que sirvió de molde) y una hebra nueva recién sintetizada. Se «conserva» la mitad de la molécula original.
Pasos básicos:
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La enzima helicasa abre la doble hélice rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases.
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Cada hebra queda expuesta como molde.
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La ADN polimerasa une nucleótidos nuevos siguiendo el apareamiento de bases: A con T, G con C.
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La ADN polimerasa agrega nucleótidos solo en el extremo 3' de la cadena en crecimiento. Por eso la hebra nueva se sintetiza siempre en sentido 5'→3'.
Con el apareamiento complementario, la secuencia de la hebra nueva queda determinada por la del molde. Si el molde es 3'-ATGC-5', la hebra nueva es 5'-TACG-3'.
Probá con el interactivo: completá la cadena complementaria.
Una célula se prepara para dividirse y duplica su ADN. Explicá con tus palabras qué significa que la duplicación sea «semiconservativa» y indicá qué dos enzimas o tipos…
Una célula se prepara para dividirse y duplica su ADN. Explicá con tus palabras qué significa que la duplicación sea «semiconservativa» y indicá qué dos enzimas o tipos de enzimas participan abriendo la doble hélice y uniendo los nucleótidos nuevos.
Transcripción: del gen al ARN mensajero
Para fabricar una proteína, la célula no usa el ADN directamente: copia el gen en un ARN mensajero (ARNm). Así el ADN queda protegido en el núcleo y se pueden hacer muchas copias de la «receta».
La ARN polimerasa se une al ADN al comienzo del gen, separa las hebras y construye el ARN usando una de ellas como hebra molde (también llamada «templado»). Las reglas son las del apareamiento, con una diferencia: en el ARN no hay timina, hay uracilo (U), que se aparea con la adenina.
| Base del molde (ADN) | A | T | G | C |
|---|---|---|---|---|
| Base del ARNm | U | A | C | G |
El ARNm se sintetiza en sentido 5'→3', y por eso lee el molde en sentido 3'→5'. Las dos hebras se leen en sentidos opuestos (son antiparalelas).
En eucariotas, el ARNm recién transcripto se procesa en el núcleo y después sale al citoplasma, donde se traduce.
Una hebra molde de ADN tiene la secuencia 3'-TACGGATTC-5'. Escribí la secuencia del ARN mensajero que se obtiene por transcripción de esa hebra e indicá en qué sentido…
Una hebra molde de ADN tiene la secuencia 3'-TACGGATTC-5'. Escribí la secuencia del ARN mensajero que se obtiene por transcripción de esa hebra e indicá en qué sentido (5'→3' o 3'→5') se sintetiza el ARNm.
Traducción y código genético
La traducción ocurre en los ribosomas. El ribosoma lee el ARNm de a tres bases: cada grupo de tres es un codón, y cada codón especifica un aminoácido (o una señal de terminación).
Los ARN de transferencia (ARNt) llevan los aminoácidos. Cada ARNt tiene un anticodón, tres bases complementarias de un codón. Si el codón es 5'-AUG-3', el anticodón es 3'-UAC-5' y ese ARNt trae el aminoácido metionina.
La traducción tiene tres momentos: inicio (el codón AUG, que codifica metionina, marca el comienzo), elongación (el ribosoma se desplaza codón a codón y suma aminoácidos) y terminación (cuando llega un codón de terminación, la cadena se libera). Con 4 bases se pueden armar 64 codones; 61 codifican aminoácidos y 3 son señales de terminación.
Para traducir no hace falta memorizar nada: usá la tabla. La primera base es la fila, la segunda la columna y la tercera el orden dentro de cada celda (U, C, A, G). Se usan las abreviaturas de tres letras de cada aminoácido.
| 1.ª base | 2.ª base U (3.ª: U, C, A, G) | 2.ª base C (3.ª: U, C, A, G) | 2.ª base A (3.ª: U, C, A, G) | 2.ª base G (3.ª: U, C, A, G) |
|---|---|---|---|---|
| U | Phe, Phe, Leu, Leu | Ser, Ser, Ser, Ser | Tyr, Tyr, STOP, STOP | Cys, Cys, STOP, Trp |
| C | Leu, Leu, Leu, Leu | Pro, Pro, Pro, Pro | His, His, Gln, Gln | Arg, Arg, Arg, Arg |
| A | Ile, Ile, Ile, Met (inicio) | Thr, Thr, Thr, Thr | Asn, Asn, Lys, Lys | Ser, Ser, Arg, Arg |
| G | Val, Val, Val, Val | Ala, Ala, Ala, Ala | Asp, Asp, Glu, Glu | Gly, Gly, Gly, Gly |
Por ejemplo, para el codón GAA: primera base G (fila G), segunda base A (columna A), tercera base A (tercera posición): Glu.
Un fragmento de ARN mensajero tiene la secuencia 5'-AUG GCU UAC GAA UAA-3'. Con la ayuda de una tabla del código genético, escribí la secuencia de aminoácidos que se…
Un fragmento de ARN mensajero tiene la secuencia 5'-AUG GCU UAC GAA UAA-3'. Con la ayuda de una tabla del código genético, escribí la secuencia de aminoácidos que se traduce y señalá cuál es el codón de inicio y cuál el de terminación. Explicá por qué se dice que el código genético es «degenerado».
Genes estructurales y genes reguladores
No todos los genes cumplen el mismo papel:
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Los genes estructurales codifican proteínas con una función concreta: una enzima (la lactasa), una proteína de la sangre (la hemoglobina), una proteína de la piel (la queratina).
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Los genes reguladores codifican proteínas (o ARN) que controlan la actividad de otros genes: los «encienden» o «apagan», o regulan cuánto se expresan, y cuándo y dónde.
Una analogía: los genes estructurales son los obreros que hacen una tarea; los reguladores son los capataces que deciden quién trabaja, cuándo y cuánto. Esto explica por qué todas las células de un cuerpo tienen el mismo ADN pero no son todas iguales: en una neurona y en una célula de la piel se expresan genes distintos.
Entre los reguladores, los genes homeobox (los Hox son un grupo de ellos) controlan el desarrollo del cuerpo en el embrión: dónde van la cabeza, el tórax y el abdomen, y qué estructura crece en cada segmento. Están muy conservados entre moscas, ratones y personas. Un cambio en un gen regulador de este tipo afecta a muchos genes a la vez, porque cambia un interruptor que controla a todos ellos.
Esto es importante para la evolución: algunas modificaciones grandes de la forma del cuerpo podrían haber surgido por cambios en genes reguladores del desarrollo, sin necesidad de cambiar cientos de genes estructurales. Es una de las ideas que se discuten al hablar de cambios evolutivos rápidos (macroevolución).
Distinguí entre genes estructurales y genes reguladores. Da un ejemplo de cada tipo y explicá qué consecuencia tendría para un organismo que un gen regulador funcionara…
Distinguí entre genes estructurales y genes reguladores. Da un ejemplo de cada tipo y explicá qué consecuencia tendría para un organismo que un gen regulador funcionara mal, en comparación con un error en un gen estructural que codifica una única enzima.
Los genes homeobox (entre ellos los genes Hox) codifican proteínas que regulan la expresión de otros genes durante el desarrollo embrionario y determinan la identidad de…
Los genes homeobox (entre ellos los genes Hox) codifican proteínas que regulan la expresión de otros genes durante el desarrollo embrionario y determinan la identidad de los segmentos del cuerpo. Se sabe que estos genes están muy conservados entre moscas, ratones y personas. Argumentá por qué una pequeña mutación en un gen Hox puede producir un cambio fenotípico grande, mientras que una mutación en un gen estructural suele tener efectos más acotados. Relacioná tu respuesta con su posible papel en la evolución de nuevas formas corporales.
De la mutación al fenotipo
Una mutación es un cambio en la secuencia del ADN. Si el cambio está en un gen, puede cambiar el ARNm y, con él, la proteína. Para saber qué pasó, hay que traducir el mensaje original y el mutado, y compararlos.
Con una sustitución de una sola base hay tres resultados posibles:
| Tipo | Qué pasa en el ARNm | Efecto en la proteína |
|---|---|---|
| Silenciosa | El codón cambia, pero codifica el mismo aminoácido (por el código degenerado) | No cambia |
| De sentido erróneo | El codón codifica otro aminoácido | Cambia un aminoácido; el efecto depende de cuánto importe esa posición |
| Sin sentido | Un codón de aminoácido pasa a ser de terminación | La proteína se corta antes de tiempo y casi siempre no funciona |
Un mismo cambio puede ser grave en una proteína y casi inocuo en otra, según el aminoácido que cambia y el lugar donde está. Y un cambio en el ADN solo tiene efecto en el fenotipo si llega a modificar la proteína (su tipo o su cantidad).
Mutación, genotipo y fenotipo quedan así: la mutación cambia el ADN (genotipo); el cambio puede alterar la proteína; y si la proteína altera su función, aparece un cambio en el fenotipo. Las mutaciones son la materia prima de la variabilidad que usa la evolución; en la página de mutaciones génicas y cromosómicas las vas a ver con más detalle.
En una hebra molde de ADN, la secuencia 3'-TAC CGA AAT-5' sufre un cambio y la segunda base del segundo triplete pasa de G a T. Escribí el ARNm de la secuencia original…
En una hebra molde de ADN, la secuencia 3'-TAC CGA AAT-5' sufre un cambio y la segunda base del segundo triplete pasa de G a T. Escribí el ARNm de la secuencia original y el de la modificada, y comparalos. Explicá si el cambio puede alterar la proteína y por qué.
Dos individuos de una misma especie tienen un gen que codifica una enzima. El individuo A posee la secuencia de ARNm 5'-AUG AAA GGU CCU UGA-3'. En el individuo B, una…
Dos individuos de una misma especie tienen un gen que codifica una enzima. El individuo A posee la secuencia de ARNm 5'-AUG AAA GGU CCU UGA-3'. En el individuo B, una mutación en el ADN produjo el ARNm 5'-AUG AAA GGU UCU UGA-3'; en el individuo C, el ARNm es 5'-AUG AAA GGU CCU UAA-3'. Un tercer caso, el individuo D, tiene 5'-AUG UAA GGU CCU UGA-3'. Traducí los cuatro mensajes, comparalos y analizá la relación entre mutación, genotipo y fenotipo en cada caso. Indicá cuáles de las mutaciones es probable que afecten la función de la enzima y justificá.
Resumen
Volvé al principio: Camila fabrica poca lactasa porque su genotipo (o la regulación de su gen) determina cuánta proteína se produce. Entre el ADN y la enzima están la transcripción y la traducción, y un cambio en cualquiera de estos pasos o en la secuencia puede alterar la proteína y, con ella, el fenotipo.