31 BIOQUÍMICA Biología Molecular El material genético ADN puede producir su propia replicación o puede pasar a ARNm, y éste a proteínas, esto último conocido como expresión génica. Hasta 1970 esto constituyó el dogma central de la biología molecular, fecha en la que se acusó la existencia de un ARN como material genético, el que se expresa en ADN dando lugar a proteínas. En las células eucarióticas el DNA se encuentra en el interior del núcleo y asociado a proteínas, conjunto que constituye la cromatina. CICLO CELULAR Durante la fase S se produce la replicación del material genético. Un ciclo celular demora más o menos 24 hrs. Hay células que pierden este control y se dividen indefinidamente (cáncer). Todas las células de un organismo tienen el mismo DNA, pero las células tienen funciones distintas, por lo que también debe haber un control para la expresión génica. G2 mitosis S G1 G0 o estacionario CRONOLOGÍA 1928 Los experimentos de Criffil determinaron que algo en la célula es responsable de las características, hablándose de un principio transformante. Las bacterias de cepa lisa son patógenas, poseen una capa de polisacáridos y al ser inoculadas a un ratón este muere; la cepa rugosa no tiene capa de polisacáridos y no es mortal; al matar por calor la cepa lisa y mezclar con cepa rugosa viva, son mortales y en la sangre del ratón se encuentran cepas lisas. 1944 Avery Mac Cartly y Mc Leod afirman que los ácidos nucleicos son responsables de la transformación celular. Al agregar ADNasa no hay transformación. 1948-1950, Herchey, al infectar con virus marcados a bacterias, estos inyectan el material genético y se producen más virus. 1954, Watson y Creek, se dilucidó la estructura de la molécula de ADN: doble cadena en que al interior está la base unidas por puentes de hidrógeno (2TA;3CG) y por interacciones hidrofóbicas, con un enlace fosfodiester 3’ de un azúcar con 5’ del azúcar siguiente. Esta molécula tiene carga negativa por el fosfato. Para organizar el DNA se le unen histonas. Las cadenas son antiparalelas. Postularon que una de las hebras servía de molde para la contraria, por lo que la replicación sería semiconservativa. Esto fue demostrado 5 años después por Meselson y Stanl (Tarea: cuál experimento). 1964, Kornberg, descubre la primera polimerasa que permite sintetizar DNA: DNA polimerasa I o de Kornberg. 1970, Temin, aisló la transcriptasa reversa, lo que permitió que un virus oncogénico se replicara. Con esto permitió la ingeniería genética, ya que se pueden introducir genes de una especie a otra, por ejemplo, se obtiene el mRNA mensajero de insulina y por la transcriptasa reversa se transforma en ADN, el que por medio de un vector se introduce en una bacteria, para que ésta sintetice insulina. 1972, Nathans descubre las enzimas de restricción, las que son específicas, hasta entonces todas las nucleasas cortaban en cualquier parte. 1980, se obtiene el primer animal transgénico: se introdujo un gen de la hormona de crecimiento de una rata en otra (huevo), incorporándose al genoma. 1982, Cech demostró que algunos RNA actúan como enzimas: ribosimas. PCR: permite amplificar el DNA. Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 32 ADN. DENATURACION. ABSORBANCIA. Al calentar DNA se rompen los puentes de hidrógeno y las hebras se separan, lo que se conoce como denaturación. Si se vuelven a juntar las cadenas bajo condiciones adecuadas se habla de renaturación. Al agregar a una cadena otra molécula con secuencias que interaccionen, se habla de hibridización. Existen moléculas que degradan el DNA y RNA, las endonucleasas lo hacen desde el interior, las exonucleasas, desde los extremos. Las enzimas de restricción son endonucleasas para una secuencia específica. Las proteínas se pueden cuantificar leyendo a luz ultravioleta: 220-230 nm (unión peptídica); 280 nm (aromáticos: triptofano, fenilalanina). Los ácidos nucleicos absorben luz ultravioleta, con un máximo de absorción a 260 nm, por las bases, que son aromáticas. De esta manera se puede medir la concentración. Ambas cadenas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno y reacciones hidrofóbicas. Las cadenas se separan por calor. Si el ADN es calentado por 5 minutos y se hace el espectro, se obtiene un espectro de absorción más alto que el ADN no denaturado porque las bases absorben más, lo que se conoce como efecto hipercrómico. Si se mide la absorbancia a 260 nm pero a distintas temperaturas (curva de denaturación térmica), a cierta temperatura la absorbancia aumenta abruptamente en un 25 a 30%. Distintos ADN aumentan la absorbancia abruptamente a distintas temperaturas dependiendo del número de puentes de hidrógeno. La temperatura de fusión de DNA, es aquella donde el ADN está 50% denaturado. OBTENCION DE ADN Se obtiene la célula y se rompe (homogenización). Si es eucarionte, hay que aislar los núcleos, se obtiene su lisis, en presencia de una mezcla orgánica de alcohol isoamílico, cloroformo o fenol (denaturando las proteínas), en presencia de cloruro de sodio, porque el ADN está unido a proteínas. Al centrifugar se obtiene una fase orgánica y una acuosa; en la interfase se encuentran las proteínas denaturadas. Esto se repite hasta que en la interfase no haya proteínas. Se saca la fase acuosa y se agrega 2 veces el volumen de etanol a 20ºC; el DNA precipita (si su peso molecular es pequeño, el agua se pone turbia; si es de alto, precipita); se revuelve y se saca con una vagueta. Con este DNA se trabaja. Las proteínas se pueden analizar separándolas haciendo pasar corriente sobre gel poliamilamida. Lo mismo se puede hacer con el DNA en un gel de agarosa; luego se agrega bromuro de etilo, que permite verlo bajo luz ultravioleta. Las hebras de DNA si se colocan a una temperatura y concentración salina adecuadas se pueden reasociar: renaturación. Si aquí agregamos otro ácido nucleico con secuencias complementarias con el DNA se puede unir por puentes de hidrógeno. Como es otro ácido nucleico, se habla ahora de hibridización. Este ácido nucleico se puede marcar con radioactividad. Expresión génica es la formación de RNA y proteínas. Esto debe estar muy regulado. El daño del ADN puede ser reparado. La replicación se da solo cuando la célula está proliferando. Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 33 REPLICACIÓN En 1964 Kornberg encontró una actividad enzimática utilizando un extracto de bacterias capaz de, al agregar todos los desoxi nucleótidos radioactivos, incorporar esa radioactividad a su DNA. Así logró purificar una enzima llamada DNApolimerasa I o enzima de Kornberg. Por mucho tiempo se pensó que esa era la única responsable de duplicación. Pero una mutante de E. Coli, con muy poca DNApol I, tenía una velocidad de replicación normal. Más tarde se aisló una DNApol II y una III. Esta última es la que interviene mayormente en la replicación. La DNApol I tiene su principal función en la reparación del ADN. De la DNApol II no se conoce muy bien su función. Las DNA polimerasas (tanto eucariontes como procariontes) incorporan un desoxinucleósido trifosfato al extremo 3’ OH de la hebra, liberando pirofosfato; el que ingresa entra de acuerdo a la secuencia de aminoácidos de la hebra complementaria. Todas las DNA polimerasas elongan la cadena en el sentido 5’-3’, no son capaces de iniciar cadenas, solamente elongan cadenas. Por tanto necesitan una parte que sirva como molde y otra que sirva como partidor. DNA pol I es polifuncional: Actividad polimerasa 5’-3’. Actividad exonucleasa 3’-5’: puede colocar y sacar nucleótidos, lo que le permite hacer correcciones en casos de distorsión, así se conserva la fidelidad en la replicación. Por eso no se producen tantas mutaciones. Actividad exonucleasa 5’-3’: esto le permite ir degradando el partidor y agregar el nucleótido correspondiente. La DNA pol III se une al partidor y elonga la cadena; en un momento se cambia por DNA pol I, que termina el fragmento e hidroliza el partidor; tiene actividad polimerasa 5’-3’; exonucleasa 3’-5’. Las 3 ADN pol tienen actividad correctora, pero solo la ADN pol I elimina el partidor. Las RNA polimerasas también trabajan en el sentido 5’-3’, pero pueden formar la primera unión fosfodiester (tanto eucariontes como procariontes), iniciando así cadenas. Los sustratos de las RNA pol son los ribonucleótidos La enzima que sintetiza el partidor es una ARN pol llamada primasa. En las células se acompleja con una helicasa (va separando las hebras). Este complejo se llama primosoma. Al estudiar cómo se replica el ADN se encontraron intermediarios de replicación (obtenidos por Okazaki), formados por un trozo de RNA y el resto por DNA, estos se conocen como fragmentos de Okasaki. Por tanto, el partidor lo da el RNA. Pero el DNA final no tiene RNA. La replicación comienza en una secuencia determinada llamada origen de replicación. La E. coli tiene un solo origen y cadena circular. La replicación se inicia en un punto bien específico llamado ori C, de 245 pares de bases; en ese lugar se produce un ojo replicativo. Como la DNA pol no puede iniciar, se necesita un partidor que corresponde a un fragmento de RNA, el que será elongado por la DNApolimerasa. En las células eucariontes, que tienen mayor cantidad de material genético y de cadena lineal, existen varios orígenes de replicación. Incluso en células embrionarias se producen divisiones en 40 min, porque hay muchos más orígenes de replicación. Las hebras se separan produciendo una Burbuja u ojo replicativo. La replicación se da en ambos sentidos, por lo que es bidireccional. Lo que ocurre en cada lado de replicación se llama Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 34 horquillas de replicación. En cada horquilla de replicación existe una hebra líder y una hebra retardada. Cada horquilla tiene en una de las cadenas trozos de ARN y ADN, conocidos como fragmentos de Okasaki. Cuando los fragmentos se juntan entre sí, se degrada el ARN y la DNA ligasa los une. A medida que avanza la replicación una hebra crece en forma continua, la otra, en forma discontinua, por eso se dice que la replicación es semidiscontinua. La hebra que se sintetiza en forma continua es la hebra líder o conductora; la otra es la hebra retardada o no conductora. Las topoisomerasas cortan, desenrollan la hebra y la vuelven a unir, evitando que al irse separando las cadenas, se enrede. Hay otras proteínas que mantienen las hebras separadas para que se puedan sintetizar las cadenas complementarias. El DNA humano es lineal; cada cromosoma corresponde a una molécula. Por eso hay muchos orígenes de replicación. En Eucariontes hay solo un origen, los fragmentos de Okasaki son más cortos y también es semidiscontinua. Es bidireccional y semiconservativa, pero aquí se habla DNA pol . La participa en reparación; laes la encargada de la replicación mitocondrial; las otras participan en la replicación del DNA nuclear. La DNA se acompleja con la primasa. y la sigue elongando el fragmento de Okasaki. También tienen una actividad correctora. El partidor es eliminado por una RNAasa H, enzima que degrada RNA. La Fen I también elimina el partidor?. EXPRESIÓN GÉNICA Para ello debe haber transcripción y traducción. Todas las células tienen el mismo DNA, pero no todas las células expresan todos sus genes. Por ejemplo, la insulina solo se sintetiza en el páncreas. En procariontes se sintetiza RNA transcripción y la traducción se dan casi paralelamente. El mensajero no sufre ninguna transformación. En eucariontes hay una membrana nuclear, por lo que cuando se transcribe un RNA este debe salir afuera para ser traducido. Hay transformación o procesamiento del RNA. En el extremo 5’ se une un nucleótido de guanina en unión 5’-5’ fosfodiester, lo que hace que quede como dado vuelta, lo que se conoce como cap. En el extremo 3’ se agrega una cola de poli A, puros nucleótidos de adenina. En procariontes el gen es colineal con la proteína (toda la información del gen está en la proteína). En eucariontes no toda la secuencia del gen está en la proteína; el gen no es colineal con la proteína. El mensajero sufre una serie de modificaciones para transformarse en un gen maduro, eliminándose unas secuencias llamadas intrones; las que si están en las proteínas se llaman exones. Al transcribir debe ser procesado para eliminar los intrones. La función de los intrones no se conoce, se sabe sí que separan los dominios de las proteínas. Si al eliminar los intrones se corta un nucleótido más o menos se altera la secuencia de aminoácidos. Como mensajero maduro sale al citoplasma para ser traducido. Los intrones existen en RNA ribosomales y de transferencia. La mayoría de los genes tienen intrones. En procariontes la enzima que sintetiza todos los transcritos es una sola llamada RNA polimerasa. Pero el partidor es sintetizado por la primasa. Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 35 En eucariontes existe: RNA pol I: sintetiza RNA ribosomales RNA pol II: sintetiza mensajeros; además sintetiza otro RNA pequeño importante en la eliminación de los intrones. RNA pol III: sintetiza RNA de transferencia. La amanitina es un octapéptido cíclico que a muy bajas concentraciones inhibe la RNA pol II, a altas, la RNA pol III; la RNA pol I es resistente. Está presente en un hongo llamado amanita phalloides, muy parecido a uno comestible y es mortal, porque inhibe los mensajeros, produciendo un daño hepático severo que requieren transplante. ARN transcritos: ribosomal, transferencia, mensajero y otros pequeños para eliminar los intrones. La RNA polimeresa está formada en procariontes por 3 subunidaes: alfa, beta y beta prima; existe otra subunidad sigma; sigma se puede unir en cualquier parte del DNA, pero in vivo la sigma le da especificidad en la iniciación de la transcripción. La enzima completa (holoenzima). Sin sigma se habla de Core. El lugar para iniciar los transcritos se llama promotor, que corresponde a una secuencia que se une a la ARN pol para iniciar la transcripción. En la región promotora, al primer nucleótido en el DNA se le llama +1. Todos los que están antes se llaman menos. Las secuencias que están antes del punto de inicio se llaman corriente arriba (upstream), las otras, corriente abajo (downstream). En la región promotor hay 2 secuencias, una que está en -10 (TATAAT ) y –35 (TTGACA), las que tienen una secuencia llamada de consenso, cuya mutación inhibe o elimina la transcripción. En la región promotora de eucariontes se ha visto que corriente arriba hay secuencias importantes para la regulación de la transcripción. La ARN pol trabaja con otras proteínas, llamadas factores de transcripción, los que se unen a esas regiones de control. Donde se inicia la transcripción se separan las hebras, que luego se unen. En procariontes el mensajero lleva información para más de una proteína: policistrónico. En eucariontes se transcribe solamente un gen para una proteína: monocistrónicos. En 1978 se aisló el mensajero para globina del citoplasma; con la transcriptasa reversa se pasó a un cDNA el que se hibridizó con DNA de globina; como el gen no es colineal, quedaban zonas que no hibridizaban. En la conexión intron exon, exon intron, habían secuencias que se repetían, secuencias muy importantes para la eliminación del intrón. Unos pequeños ARN unidos a proteínas forman splicesoma y hacen que se acerquen los exones. Los RNA pequeños son complementarios a los exones. Esto sucede en el núcleo. En algunos protozoos el intrón puede ser eliminado sin participación de otras proteínas. En 1982 Cech informó que en Tetrahymena la eliminación del intrón era autocatalítica, unos RNA puede funcionar como catalizadores, a los que se llamó ribosimas. Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 36 De RNA a proteína El código genético relaciona la secuencia de nucleótidos con la secuencia de aminoácidos (1962-1965). Cómo se dilucidó esto. La enzima polinucleótido fosforilaza (estudiada por Seevro Ochoa) puede polimerizar y formar un poli U; al agregar una mezcla de nucleótidos, los polimeriza al azar. (Esta enzima cumple una función fisiológica en la degradación de polinucleótidos). Nirenbeg utilizó el poli U en un sistema in vitro para la síntesis de proteínas usando el poli U como mensajero, y logró sintetizar poli fenilalanina. (El triplete UUU codifica para fenilalanina). En 3 años, utilizando otros mensajeros sintéticos (Khorana) se descifró el código genético completo. Hay 3 tripletes (UAA, UAG y UGA) que no significan ningún aminoácido, a lo que se le llamó codón sin sentido. En el término de la traducción hay un codón sin sentido. El inicio de traducción es AUG (por lo que todas las proteínas comienzas con metionina, aunque algunas proteasas a veces eliminan los extremos) (en procariontes la metionina está formilada: formilmetionina). El hecho de que haya más de una combinación para un aminoácido ayuda a disminuir el número de mutaciones. Si hubiese una combinación para cada aminoácido, habrían otras 44 combinaciones que no codificarían, por lo que las mutaciones se notarían. Por tanto, Esta degeneración es conveniente. Pero el código no es ambiguo, porque una combinación siempre significa una proteína. El código genético es universal. RIBOSOMAS Están formados por proteínas y RNA. Los genes para RNA ribosomales y de transferencia también tienen intrones, pero estos no son modificados por cap y poli A; algunos mensajeros no tienen el poli A. Están formados por 2 subunidades, En eucariontes la subunidad pequeña es de 40 S, la grande de 60 S y el complejo de 80 S; en procariontes la subunidad pequeña es de 30 S, la grande de 50 S y el complejo de 70 S (S: velocidad de sedimentación, lo que refleja tamaño y forma). En eucariontes encontramos 40 proteínas distintas, en procariontes, 33. Por mucho tiempo se pensó que una de estas proteínas formaba la unión peptídica, ahora se piensa que el RNA de la subunidad grande tiene esta función catalizadora. Ribosomas tanto de eucariontes como procariontes leen cualquier mensajero que se les coloque, no son específicos (aunque para eucariontes hay que agregarles cap). En procariontes la secuencia Shine D’Algarnó es complementaria a parte del RNA ribosomal de la subunidad pequeña, así se ancla y se inicia la traducción. En eucariontes, para que la subunidad pequeña se ancle es importante la estructura CAP. En procariontes y eucariontes se distinguen 3 sitios: A: sitio al que se une el aminoacil-tRNA. P: donde se une el peptidil-tRNA. E: unido al tRNA: El mensajero se une primero a la subunidad pequeña, luego a la grande. Para la síntesis proteica debe haber: aminoácidos, ribosoma, mensajero, tRNA, ATP, GTP, y factores proteicos. Los aminoácidos deben estar unidos a tRNA para formar aminoacil tRNA, reacción catalizada por aminoacyl tRNA sintetasa (que se encuentra en el plasma), dependiente de ATP. Esteban Arriagada 37 BIOQUÍMICA Biología Molecular El aminoacyl tRNA debe interaccionar con el mensajero para llevar el aminoácido correcto. Todos los tRNA pueden formar una estructura con interacciones entre sus bases, donde existe una secuencia CCA (en el extremo3’) que es post transcripcional (como CAP y Poli A). La aminoacyl tRNA sintetasa debe ser específica (por lo que debe haber al menos 20), de tal forma que pueda unir el aminoácido glicina al tRNA glicina y dar glicina-tRNA. Si uniera alanina al tRNA de glicina, donde debería ir glicina colocaría alanina. En todo caso el que da la fidelidad de la traducción es la aminoacyl tRNA sintetasa se une al aminoácido equivocado no lo une al tRNA. El aminoácido se une al extremo 3’, a la ribosa de la última adenosina. Hay modificaciones post traduccionales, como activación de cimógenos, fosforilación, acetilar, metilar, etc., generalmente relacionadas con regulación. Hay otras modificaciones transcripcionales: a veces el U es modificado a T. La síntesis proteica consta de 3 etapas: iniciación, elongación y término. INICIACIÓN: ocurre la interacción de la subunidad pequeña con el mensajero, la que depende de la secuencia 5’, unida a AUG. Además depende de 2 factores de iniciación. Luego se une el primer tRNA: formil metionil tRNA por complementariedad codón anticodón; se une la subunidad grande, se libera GDP y los 2 factores de iniciación. El único aminoacil tRNA que entra al sitio P es el primer formil metionil tRNA, todos los demás se unen al sitio A. ELONGACIÓN: el segundo tRNA, determinado por la secuencia, se une dependiendo de los factores de elongación. Se produce una unión peptídica y el dipéptido queda en el sitio A, el tRNA queda en P; ocurre la translocación, donde el tRNA solo pasa al sitio E (el tRNA que sale puede ir a cargar otro aminoácido) y el dipéptido al sitio P. Cada vez que ocurre esto se libera GDP y factores de elongación, por lo que es un proceso caro. Al término de la síntesis proteica aparece un codón sin sentido, se libera la proteína y se separan las subunidades. Varios ribosomas pueden estar unidos a un mensajero, lo que se conoce como polisoma. Procariontes Eucariontes Procariontes y eucariontes DNA X Rifampicina amanitina Actinomicina D RNA RNA X Proteína Cloranfenicol, tetraciclino Cicloheximida Puromicina La puromicina es parecida a un aminoacil tRNA haciendo que termine la cadena polipeptídica prematuramente. El cloranfenicol impide que se forme la unión peptídica. La tetraciclina impide la unión en el sitio A. CLONACIÓN: Los telómeros (extremos de los cromosomas) son cada vez más cortos en la oveja Doly, por lo que envejece más rápido. La telomerasa replica los extremos de los cromosomas, que es una transcriptasa reversa porque en su estructura tiene un RNA que sirve como molde. INGENIERIA GENÉTICA Se requiere de un vector que pueda introducir DNA a la célula. Pueden ser plasmidios, que son DNA extracromosomal de bacterias no es indispensables para que la bacteria viva. También se hace con fagos o virus y cosmidos. El plasmidio es DNA circular, tiene un origen de replicación que le permite replicarse dentro de la bacteria, si lleva una resistencia a antibiótico, el que capta este vector se hace resistente a antibiótico. Así se pueden seleccionar las que captan el plasmidio. El DNA se Esteban Arriagada BIOQUÍMICA Biología Molecular 38 corta con enzimas de restricción, de lo que resulta una serie de fragmentos; este DNA se puede unir con el vector, obteniendo un plasmidio recombinante. Si este se introduce en E coli, se puede obtener un clon de una bacteria que tenga un gen determinado. Para hacer la selección hay que tener una sonda que permita identificar las bacterias que tienen el plasmidio. Así se aisló el mensajero de insulina, a través de la transcriptasa reversa se paso a cDNA, el que se introdujo en un plasmidio recombinante, este se colocó en una bacteria y la bacteria traduce la información y produce insulina. Así se obtuvo un clon de bacterias que expresan insulina. No se uso el DNA porque este tiene intrones, que la bacteria no puede eliminar, solo el mensajero permite que el gen se exprese. De esta manera se pueden construir genotecas o librerías genómicas. Hay 2 tipos - Una que se fabrica a partir de los mensajeros, que pasan a cDNA y de aquí pasan a un vector. Es una genoteca de expresión. - ADN: se cortan trozos de ADN y pasan a un vector. Lo mismo se puede hacer utilizando como vector un virus. La sonda permite identificar dónde se encuentra el gen clonado. En fago se saca el DNA de un virus, se recombina y se vuelve a formar un virus. Hasta aquí solo se puede amplificar inyectando en virus y que se reproduzcan. La técnica de PCR (polimerasa clain reaction) permite en solo horas, mediante un termociclador, obtener grandes cantidades de DNA. Para amplificar se necesita que la hebra se separe, esto es denaturar, aumentando la temperatura, y un partidor. Cada ciclo implica denaturar, que los partidores se ubiquen y elongar los partidores. El problema es que al aumentar la temperatura la DNA polimerasa se denatura; pero se encontró la DNA pol taq (de bacterias que crecen a altas temperaturas), resistente a la temperatura. El PCR se puede utilizar en: Clonamiento de genes. Subclonamiento dirigido de genes. Secuenciación. Mutagénesis dirigida y al azar: cambiar una determinada secuencia. Detección y cuantificación de mRNA. PCR reverso. Marcación de sondas. RATONES TRANSGÉNICOS A un ratón se le colocó una hormona de crecimiento y creció más. O sea, se pueden introducir genes en animales. Hay que tener el vector con el gen que se desea introducir. Eso se inyecta en el núcleo de, por ej, huevos fecundados. Los cigotos se reimplantan en madres adoptivas, y si sobrevive, la descendencia puede llevar esa información. Esto se comprueba al aislar DNA se debe encontrar esa información. En la descendencia este cambio es estable. CLONACIÓN: el primer clon animal se obtuvo en 1962. A un huevo sin fecundar se le destruyó el núcleo, y se introdujo el núcleo de células epiteliales de intestino. En el caso de la oveja Dolly se introdujo el núcleo de una célula embrionaria en un huevo. La solución no es tener la secuencia completa de los genes. Lo importante es saber cómo se expresa esa información. Esteban Arriagada