Biología celular y molecular 5a ed h lodish (médica panamericana, 2005) 1

ta ohfa han \Cnlicado toda la mformaci l'onliahle' par.1 ao;cguran.c de�� ésta o;ca completa y at:orde lo- C\tandare' aceptad� c.:n el momento de l.t pubhcac1ón S1n cmb:lr¡to en vi'>!a de a l pos1b11idad de un emtr humano o de cambiO .:n la.' ciencia\ médic , n1 lrcpanu:ion o la pul:ol1Cac1Ótl dc pon�bllmm por crrore' u omi�IOilC" o por los rcsult.ldo� oblemdos del A de quienes seguimos aprendiendo, y a nuestras familias, por su apoyo, ánimo y amor ISBN 950-06-1374-3 84-7903-913-2 Harvey Lodish Bi ología celular y mo lec ul ar Lodi�h H arv cy let.al.l- 5a cd. Buenos Aire�: Médica Panamericana 2005 108!1 p 28x22 cm Traducido por: A ndrea \1éndez, Silvia Romlinonc y Oct a \ io Giovannicllo JSR'\ 950-06-1374-3 l Biología Celular y M ol ecu l ar l Méndc1 Andrea tntd n Rondinone Silvia trad lll Giovanniello, Oct avio, trad IV Tílulo CDD 61 01 H�cho d dCJXhitu que dbpone l a ley 1.723 Tndo' lo� derecho< re�rvados &te l i bro o cualquiera d.: 'u' panes no podrán ser reproducidos 111 archivados en ��tcma.s recup.:r.rbles ni tran,mitidos en ningun a forma o por ningún m edio ya !.eru1 mecánicos o el ectrónicos fotocopiadoras, grabacione' o cualljuier otro 'in el permiso previo de F.ditor al Médica Panamericana S.A i Acerca de la lapa: la tlu,tracíón dcsc ri he una drspostc1ón va n ada de protetnas intcgra)e, y per i fé rica ' d., membrJna La ))l(:,lp.l fo sfollp ídu.:a deriva de un mode lo dinámico molecular La� estructura' prote1cas (de rerminada, por cnsralografía de rayos X), de i1qui�rd:1 a ó ere.:ha , son: centro de reacción forosinr,;uco (bactenano; lprc), fotos1srema (hacre rtano; l]h0), acuaporina (1¡4n), ATP smrasa ( compuesto hovmo llc79] y bacreriano [ 1cl7]) (Modelo dinámico molecular d e H Hclle r, �l Schaefer y K Sch u lren, 1993, S1mulación d in.im ic a molecular de 200 lípl dos en la fase de gel y de :n�tal líq uido, Pbys Chem 97:!1]43; H Icllcr, 1993, Simulatw11 ei11er Lipidmem [Jra" aul eiflem Parallelreclmer, Ph D diss Um�cr"tY o f Mumch, Alemanta.) � 21)()5 EDITORIAL MÉDICA PANAMERICANA S.A Marcelo T de Alvear 2145- Bueno!> Aire�- Argentina EDITORIAL MÉDICA PA"'AMER1CANA S.A A1bcno Akocer 24 - Madrid - España IMPRESO EN COLOMBIA Por Panam�ricana Formas e lmpre esenciales para la funCIÓn de las células madre y la determi 22) nación del linaJe celular (cap Enfoque en principios fundamentales regulación de apertura y cierre y su papel en la conducción de los potenciales de acción por las células nerviosas (cap 7) Desde la publicación de la cuarta edición emergieron princi " pios fundamentales a partir de nuestro conocuniento acerca de la biología celular y molecular hta qumta edición intenta � n D [l • c • O'l • D • •• lG/ � • e• • � /'" D D (l � • •• • [][] , !'l � -.f' \.J • • ron como resultado un cuadro de contemdos reorganizado, mclllldos varios cap1rulos nuevos y la reorganización de los temas dentro de loe, cap1tulos Los camb1os en el contenido en - · • Capítulo nuevo, "L.a v1da comienza las células", pro ' • l.a cobertura de los conceptos qUJmicos bas1cos en el capí tulo 2, "Fundamentos químicos", se centrU correspondencia 16 y 17, mreracc1on b1direcCJonal entre la btolog1a celular y moleLular La explicación de las tt.•cnicas de genérica > DNA recombl tes, como las lnTuoforografías, para establecer un puente sobre v1sual en todo el libro Las formas y, en la medida de lo posible, capítulo se presenta un de adentro hacia afuera, prep;tra a los estudiantes para refle r de los detalles por vemr Cuando fue pmible, las iluo nece uio, camb1ada para asegura r la dmdad y compatibilidad genéticos y moleculares del desarrollo de numeroso� orga "Integración de células en tejidos", que se centra en la adhe Descripción temprana del transporte a través de las mem Además, msmos sion hélices de RNA-RNA y RNA-DNA tienen una confor mación compacta como la forma A del DNA (véase fig 4-4b) A diferencia del DNA, el cual existe principalmente como una doble hélice muy larga, la mayoría del RNA celular es una hebra �imple y exhibe diversas conformaciones (fig 4-8) Las diferencias en los tamaños y las conformaciones de los distintos tipos de RNA les permiten llevar a cabo funciones específicas en la célula Las estructuras secundarias más sim ples en los RNA monocatenarios están formadas por aparea mtento de bases complementarias Las "horquillas" se for man por apareamiento de bases separadas por "'5-10 nucleótidos entre una y otra, y los "tallos y bucles", por apa reamiento de bases separadas por > O a varios cientos de nu cleótidos Estos plegamientos simples pueden cooperar para formar estructuras terciarias más complicadas, una de las cua les se denomina "seudonudo" Como se verá en sus detalles más adelante, las moléculas de tRNA adoptan una arquitectura tridimensional bien defi- nida en soluc1ón, que es crucial en la síntesis de proteínas Las moléculas más grandes de rRNA también tienen estruc turas tridimensionales locales bien definidas, enlaces más flexible� entre ellas También �e han reconocido estructuras secundanas y terciarias en el mRNA, sobre todo cerca de los extremos de la!> moléculas En consecuencia, claramente las moléculas de RNA !>on como las proteínas en cuanto a que poseen domintos estructurados conectados por extensiones flexibles menos estructuradas Los dominios plegados de las moléculas de RNA no só lo ttenen una analogía estructural las hélice� a y las he bras p halladas en las proteínas, sino que en algunos casos también tienen capacidad catalítica Estos RNA catalíticos son llamados ribozimas Aunque las ribozimas generalmen te suelen estar asociadas las proteínas que estabilizan la estructura ribmómica, es el RNA el que actúa como un catalizador Algunas ribozimas pueden catalizar la elimina ción de intrones, un proceso notable en el cual se corta y eltmina una secuencia interna de RNA y luego se ligan las dos cadenas resultantes Este proceso de corte y empalme tiene lugar durante la formación de la mayoría de las mo léculas funcionales de mRNA en las células eucariontes y también en eubacterias y en Archaea Notablemente, algu nos RNA realizan la autoeliminación de intrones, median te la actividad catalítica res1dente en la secuencia que es eli minada [n el capítulo 12 se detallan los mecanismos de eliminación y autoeliminación Como veremos más adelan te en este capítulo, el rRNA desempa un papel catalítico en la formación de enlaces peptídicos durante la síntesis de proteínas En este capítulo, nos centramos en las funciones del mR NA, el tRNA y el rRNA en la expresión génica En capítu los posteriores encontraremos otros RNA, a menudo aso ciados proteínas, que participan en otras funciones celulares CAPÍTULO • Mecanismos genéticos moleculares básicos • Fig 4-8 Estructuras secundaria y terciaria del RNA (a) Se pueden formar tallos y bucles, horquillas y otras estructuras secundarias por apareamiento de bases entre segmentos complementarios distantes de una molécula de ANA En los tallos y bucles, el bucle de hebra simple entre el tallo helicoidal de bases apareadas puede tener cientos o hasta miles de nucleótidos de longitud, mientras que en las horquillas, el g1ro corto puede contener hasta apenas cuatro nucleótidos (bl Los seudonudos, un tipo de estructura terciaria de ANA están formados por la interacción de los bucles secundarios a través del apareamiento de bases entre bases complementarias (verde y azul) Sólo se muestran las bases que participan en el apareamiento A la derecha se ilustra un diagrama de la estructura secundaria (Parte lb) adaptada de P.J Mich1els et al 2001, J Mol Biol 310:1109.) 4.2 (a) Estructu secunda ri a (b) Estructura terciari a () J ( Ho'q";u' 3' Bucle Tallo Región del tallo doble hélice - ()["";'•¡ '- Ta llo J 5' - Tall o bucl e Seudonudo _ Las bases en los ácidos nucleicos pueden interactuar a través de los enlaces de hidrógeno Los pares de bases de Watson y Crick estándares son G·C, AT (en el DNA) y A-U (en el RNA) El apareamiento de bases estabiliza las estruc turas tridimensionales nativas de DNA y RNA • CONCEPTOS CLAVE DE LA SECCIÓN 4.1 Estructura de los ácidos nucleicos El ácido desoxirribonucleico (DNA), el material genéti co, contiene información para especificar las secuencias de aminốcidos de las protnas Esta se transcribe a varios ti pos de ácidos ribonucleicos (RNA), incluidos el RNA men sajero (mRNA), el RNA de transferencia (tRNA) y el RNA ribosómico (rRNA), que intervienen en la síntesis de prot nas (véase fig 4-1) • • Tanto el DNA como el RNA son largos polímeros no ra mificados de nucleótidos, que constan de una pentosa fosfo rilada unida a una base orgánica, ya sea una purina o una pirimidina • Las purinas adenina (A) y guanina (G) y la pirimidina ci tosina (C) están presentes tanto en el DNA como en el RNA La pirimidina timina (T) presente en el DNA es reemplaza da por la pirimidina uracilo (U) en el RNA • L o s nucleótidos adyacentes en un polinucleótido están unidos por enlaces fosfodiéster Toda la hebra tiene una di reccionalidad química o polaridad: el extremo 5'con un hi droxilo libre o grupo fosfato en el carbono 5' del azúcar, y el extremo 3' un grupo hidroxilo libre en el carbono 3' del azúcar (véase fig 4-2) • El DNA natural (DNA B) contiene dos hebras comple mentarias antiparalelas de polinucleótidos enrolladas entre sí para formar una doble hélice regular giro hacia la de recha las bases en la parte interior y los dos esqueletos azúcar-fosfato en la parte exterior (véase fig 4-3) El aparea miento de bases entre las hebras y las interacciones hidrófo bas entre bases adyacentes en la misma hebra estabilizan la estructura nativa La unión de protnas al DNA puede deformar su estruc tura helicoidal, provocando la torsión o el desenrollamiento local de la molécula de DNA • • El calor hace que las hebras de DNA se separen (se des naturalicen) La temperatura de fusión T"' del DNA se incre menta el porcentaje de pares de bases G·C En condicio nes apropiadas, las hebras separadas de ácidos nucleicos complementarias se renaturalizan Las moléculas circulares de DNA pueden estar enrolladas sobre sí mismas formando superenrollamientos (véase fig 47) Las enzimas llamadas topoisomerasas pueden aliviar la tensión torsional y eliminar los superenrollamientos de las moléculas circulares de DNA • Los RNA celulares son polinucltidos monocatenarios, algunos de los cuales forman estructuras secundarias y ter ciarias bien definidas (véase fig 4-8) Algunos RNA, llama dos ribozimas, poseen actividad catalítica • Transcripción de genes codificadores de protnas y formación de mRNA funcional La definición más simple de un gen es una "unidad de DNA que contiene la información para especificar la sínte sis de una única cadena polipeptídica o RNA funcional (tal como un tRNA)." La gran mayoría de los genes contienen información para construir moléculas proteicas; las copias • Transcripción de genes codificadores de protefnas y formación de de RNA de tales genes codificadores de proteínas constitu yen las moléculas de mRNA de las células Las moléculas de DNA de pequos virus contienen sólo algunos genes, mientras que la molécula de DNA en cada uno de los cro mosomas de los animales y plantas superiores puede conte ner varios miles Durante la síntesis de RNA, el lenguaje de cuatro bases del DNA, que contiene A, G, C y T simplemente es copia o transcripto, al lenguaje de cuatro bases de RNA, que es idéntico la excepción de que U reemplaza a T Por el contrario, durante la síntesis de proteínas, el lenguaje de cuatro bases del DNA y del RNA es traducido al lenguaje de 20 aminốcidos de las protnas En esta sección nos cen tramos en la formación de los mRNA funcionales a partir de los genes codificadores de proteínas (véase fig 4-1, pa so l) Un proceso similar produce los precursores de rRNA y tRNA codificados por los genes rNA y tRNA;estos pre cursores son modificados luego para producir rRNA y tR NA funcionales (cap 12) http://MedicoModerno.Blogspot.com 108 La RNA polimerasa transcribe una hebra 3' - o 5' OH H o1 0-P=O e Base J b r - a m o d e d o 0-P=O o1 ro::: :J e � Base D N A H OH 3'1 molde de DNA para formar una hebra complementaria de RNA Durante la transcripción de DNA, una hebra de DNA actúa como un molde o patrón, determinando el orden en que los monómeros de ribonucleósido tri fosfato (rNTP) son polimerizados para formar una cadena complementaria de RNA Las bases en la hebra patrón de DNA forman pares de bases los monómeros de rNTP complementarios en trantes, que luego se unen en una reacción de polimeriza ción catalizada por una RNA polimerasa La polimeriza ción implica un ataque nucleofílico del oxígeno 3' en la cadena creciente de RNA sobre el fosfato ex del siguiente nucltido precursor a ser adido, lo que da lugar a la formación de un enlace fosfodiéster y la liberación de un pirofosfato (PP,) Como consecuencia de este mecanismo, las moléculas de RNA siempre se sintetizan en la dirección 5' �3' (fig 4-9) La energía de la reacción de polimerización favorece fuer temente la adición de ribonucleótidos a la cadena de RNA en crecimiento debido a que el enlace de alta energía entre el fosfato ex y � de los monómeros de rNTP es reemplazado por el enlace fosfodiéster, de menor energía, entre los nuclti dos El equilibrio para la reacción se desplaza más hacia la elongación de la cadena por acción de la pirofosfatasa, una enzima que cataliza la escisión de PP, en dos moléculas de fosfato inorgánico Al igual que las dos hebras en el DNA, la hebra molde de DNA y la hebra en crecimiento de RNA, que está aparcada por sus bases a ella, tienen una direccionalidad 5' �3' opuesta Por convención, el sitio en el cual la RNA polimerasa co mienza la transcripción se numera +l Se denomina corriente abajo a la dirección en la cual una hebra molde de DNA es transcripra (o el mRNA es traducido); así, una secuencia co rriente abajo se dirige hacia el extremo 3' en relación al si tio de inicio, considerando la hebra de DNA la misma polaridad que el RNA transcripto Corriente arriba indica la dirección opuesta Las posiciones de los nucleótidos en la se cuencia de DNA corriente abajo desde el sitio de inicio se indican un signo positivo (+);aquellas corriente arriba, un signo negativo (-) 109 Crecimiento 5'�3'de la hebra c:., RNA de -'- �Basei =J. Base • mANA funcional �erización olla o-1 o o1 � -�! o o- o-1 0-P-0 -P-0 OH -[ Base rNTP entrante I sel - Ba 5' A Fig 4-9 Polimerizacion de ribonucleótidos por la RNA polimerasa durante la transcripción El ribonucleótido a ser añadido al extremo 3' de una hebra de ANA en crecimiento está especificado por el apareamiento de bases entre la siguiente base en la hebra molde de DNA y el ribonucleósido trifosfato complementario entrante (rNTP) Un enlace fosfodiéster se forma cuando la ANA polimerasa cataliza una reacción entre el O 3' de la hebra creciente y el fosfato a de un rNTP correctamente apareado Las hebras de ANA siempre se sintetizan en la direcc1ón 5'�3·y son opuestas en polaridad a sus hebras molde de DNA Etapas en la transcripción Para llevar a cabo la transcrip ción, la RNA polimerasa desempa varias funciones distin tas, como ilustra la figura 4-10 Durante la illiciación de la transcripción, la RNA polimerasa reconoce y se une a un si tio específico, denominado promotor, en el DNA de hebra CAPÍTULO • INICIACIĨN D fJ o o e;; •O Q e e o ·o a ·;:: o "' e RNA polimerasa La polimerasa se une a la secuencia promotora en el duplex de DNA "Complejo cerrado" 5' Promotor La polimerasa separa el duplex de DNA 5' cerca del sitio de inicio de la transcripción, formando una burbuja de tra n scripción "Complejo abierto" 3' � � ' ��r � , 35 35' nf0.� ' La polimerasa cataliza el enlace fosfodiéster de dos rNTP iniciales , Fi g 4-10 las tres etapas en la transcripción Durante la IniCiaCión de la transcnpción, la ANA polim erasa forma una burbuja de transcripción y comienza Sitio de detención sobre la hebra molde ' 3' IIEI 4.2 Mecan1smos genéticos moleculares bás1cos Burbuja de transcripción � ' la polimerización de nbonucleót1dOS (rNTPl en el sitio de inic10, localizado dentro de la región del promotor Una vez que una reg1ón de DNA sido transcnpta, las hebras separadas se reasoc1an en una doble hólice, desplazando el ANA naciente excepto en su extremo 3' El extremo 5' de la hebra de ANA sale de la ANA pollmerasa a través de un canal en la enzima La terminación ocurre cuando la polimerasa encuentra una secuencia de terminación especifica (o sitio de detenc1ónl Para los detalles véase el texto 35' �� E - ELONGACIÓN IJ La poli merasa avanza 3' +5' sobre la hebra molde, separando el DNA bicatenario y adicionando rNTP al ANA creciente TERMINACIĨN liJ En el sitio de terminación de la transcripción la polimerasa libera el RNA completo y se disocia del DNA 5' 3' 5' ��3' ' fl(Ct 5' """ 35' Región hibrida DNARN A • Hebra de RNA completa doble (paso 1) Las RNA polimerasas nucleares reqUieren di versos factores proteicos, denommados factores de transcrip ción generale�, para ayudarlas a local1zar los promotores e miCJar la rran-,cnpción l uego de unirse al promotor, la RNA polimerasa disocia las hebras de DNA para hacer que las ba ses en la hebra molde estén d1spon1bles para el apareamiento las bases de los ribonucleóstdos trifosfatos que se poltme rizarán Las RNA polimerasas celulares dtsoc1an aproxima damente 14 part•s de bases de DNA alrededor del �itio de ini cio de la transcnpción, localizado en la hebra molde dentro de la región del promotor (paso 2) Se considera que la imua ción de la transcnpctón se completado cuando los dos pri meros ribonucleótidos de una cadena de RNA están un1dos mediante un enlace fosfodiéster (paso ) Después de que vanos rihonudcós1dos han s1do polime rizados, la RN \ polimerasa se d1soc1a del DNA promotor y de los factores de transcnpción generales Durante la etapa de elongación de las hebras, la RNA polimerasa se mueve a lo largo del DNA molde de a una base por vez, abriendo el DKA doble hebra delante de su dirección de movimiento e h1bndando las hebras detrás de sí (fig 4-10), paso 4) Du- rante la elongac1on de la hebra, ejecutada por la poltmerasa, los nbonudtidos se aden uno por uno al extremo 3' de la cadena creciente (naC/elltc) de RNA La enwna mantiene disociada una reg1ón de alrededor de 14 pares de bases, de nommada burbuja de transcripctón Aproximadamente ocho nucleótidos en el extremo de la hebra de RNA en crec1 miento permanecen apareados por sus bases a la hebra mol de de DNA en la burbuJa de transcnpoon 1:1 complejo de clongac1ón, que comprende la RNA poltmerasa, el DNA mol de y la hebra creciente (naCiente) de RNA es extraordinana mente estable Por eJemplo, la RNA poltmerasa tramcnbe el gen conocido mas largo de los mamlferm, que conttene "' X 1o� pares de bases, sin disociarse del molde de DNA ni li berar el RNA naciente Puesto que la síntesis de RNA tiene lugar a una veloetdad de alrededor de 1.000 nucleóttdos por minuto a 37 "C, el compleJo de elongación debe permanecer intacto por más de 24 horac; para asegurar la sínteSIS ininte rrumpida del RNA Durante la termi11ación de la tranc;cripción, la etapa final en la síntesis de RNA, la molécula completa de RNA, o trans cripto primario, se libera de la RNA polimerasa y ésta se d1- http://MedicoModerno.Blogspot.com 110 • transcripción de genes codificadores de protnas y formac1ón de mANA func1onal 111 ocia del DNA molde (fig 4-10, paso S) Secuencias especí ficas en el DNA molde le señalan a la RNA polimerasa im plicada que termine la transcripción Una vez liberada, la RNA pohmerasa está libre para transcribir de nuevo el mis mo gen u otro bargo, de acuerdo un modelo acrualizado de la interac ción entre la RNA polimerasa bacteriana y el DNA promotor, el DNA se tuerce agudamente luego de penetrar en la enzima (fig 4-11) Estructura de las RNA polimerasas las RNA polimerasas d1 ubacteria, de Archaea y eucariontes son fundamental mente similares en estructura y función Las RNA polimera sa� bacterianas están compuestas de dos grandes subunidades rehuonadas (W y �), dos copias de subunidades más peque rías (a) y una copia de una quinta subumdad (w) que no es e!oenctal para la transcripción o la viabiltdad de la célula, pe ro e-.tab1ltza la enz1ma y presta asistencia en el ensamblaje de sus subumdades las RNA poltmerasas de eucariontes y de an;haea tienen vanas subun1dades pequeñas ad1C1onales aso cndas este complejo central, que describimos en el capí La organización de los genes es diferente en el DNA de p rocariontes y eucariontes t11lo JI os d1agramas esquemáticos del proceso de trans cripción suelen moóo - 147 r::: :;, "' z > (A)n CH� O o lV ' P -0 enlace 5'->5' � o O o :2 3' OH O OH o P-o � o s·l CH 4' H H 3' / Base O H , H 2' O-iCH3 0-P=O / �� HHH 0-P O O / O A Fig 4-14 Visión general del procesamiento del ANA para producir un mANA funcional en eucariontes El gen de la �-globina contiene tres axones codificadores de protnas (región codificadora, rojo) y dos intrones Intermedios no codificadores (azul) Los intrones interrumpen la secuencia de codificación de protnas entre los codones de los aminốcidos y 32, y 105 y 106 La transcripción de los genes eucanontes codificadores de proteínas comienza antes de la secuencia que codifica el primer aminoácido y se extiende más allá de la secuencia codif1cante del último aminoácido, lo que da como resultado reg1ones no codificantes (gns) al final del transcnpto primario Estas regiones no traduc1das (UTR) son retenidas durante el procesamiento El casquete 5' (m7Gppp) se agrega durante la formación del transcripto primario de RNA, que se extiende más allá del s1tio poh(A) Después de la escisión en el sitio del poli(A) y el agregado de múltiples residuos A al extremo 3', el proceso de corte y empalme de intrones elimina los intrones y une los exones Los números pequeños se refieren a las posic1ones en la secuencia de 147 aminoácidos de la �-globina se2 O- 1.uperiores tienen una estructura tercaana mulndominio (véase fig 3-8) Los minim individuales repetidos de las proteínas a menudo son codificados por un e.xón o un pequo número de cxones que codifican para secuencaas de aminoácidos idéntacas o casa idénticas Se ptensa que tales exones repetidos evolucionaron a través de la duplacación accidental múltaple de un tramo de DNA que se extendía entre dos sirios de intrones adyacentes, dando como resultado la inserción de una hebra de exones repetidos, separados por intrones, entre los dos antrones ori ginales La presencia de múltiples intrones en muchos genes eucariontes permite la expresión de proteínas múltiples y em parentadas a partir de un gen único por acc1ón del corte y empalme alternativo Fn los eucariontes superiores, el corte y empalme alternativo de intrones es un mecanismo impor tante para la producción de diferentes formas de una proteí na, denominadas isoformas, por distintos tipos de células l.a fibronectina, una proteína adhesiva extracclular multi dominio que se encuentra en los mamíferos, provee un buen ejemplo del corte y empalme alternativo (fig 4-15) El gen de fibronectina connene numerosos exones, agrupados en varias regaones correspondientes a dominios específicos de la proteí na Los fibroblastos producen mRNA de fibronectina que con tienen exones FiliA y EIITB; estos exones codafican las secuen cias de aminoácidos que se unen firmeza a las proteínas en la membrana plasmática del fibroblasto En consecuencia, esta isoforma de la fibronecrina adhiere los fibroblastos a la matriz exrracelular La eliminación alternanva de antrones del transcripro primario de la fibronectina en los hepatociros, el tipo principal de células del hígado, produce mRNA que ca recen de los exones ElllA y ElllB Como resultado, la fibro nectina secretada a la sangre por los hepatocatos no se adhie re firmeza a los fibroblastos u otros tipos de células, lo que le permite circular Sin embargo, durante la formación de cốgulo de sangre, los dominios de unión a fibrina de la fi bronectina de los hepatocitos se unen a la fibrina, uno de los principales constituyentes de los coágulos Luego la fibroncc tina unida interactúa las integrinas o;;obre las membranas de las plaquetas circulantes, activadas, expandacndo de este modo el cốgulo medaantc la incorporación de plaquetas Se han idennficado más de 20 isoformas diferentes de fibro nectina, cada una codificada por un mRNA de distinto corte y ción del mRNA bacteriano puede comenzar antes de que la síntesis del mRNA haya sido completada E lilA En el DNA eucarionte, cada gen codificador de proteínas se transcribe desde su propio promotor [.J transcripto pri mario inicial muy a menudo contiene regiones no codifican tes (intrones) diseminadas entre las regiones codificantes exones) 3' 3' fabroblastos incluye los exones EIIIA y EIIIB mientras que estos exones son ehmanados del mANA de la f1bronectana de los hepatocitos En este daagrama, los intrones (lineas negras) no están dabujados a escala; la mayoría de ellos son mucho más largos que cualquiera de los exones empalme alternativo, compue�tos de una combanación únaca de exones del gen de fibronectana La reciente determinación de la scx.uencia de gran numero de mRNA aislados de diversos teja dos y la comparacaon de sus secuencaas el DNA genómaco revelado que casi el 60°to de todm los genes humanos se ex presan como mRNA proveniente del corte y empalme alterna tivo Claramente, el corte y empalme alternativo del RNA ex pande enormemente el número de proteínas codificadas por los genomas de organismos multicelulares supcnores CONCEPTOS CLAVE DE LA SECCIĨN 4.2 Transcripción de genes codificadores de protnas y formación de mRNA funcional La transcripción de DNA es llevada a cabo por la RNA polimerasa, que agrega un ribonucleótado por vez al extre mo 3'de la cadena de RNA en crecamiento (véase fig 4-l 0) La secuencia de la hebra molde de DNA determana el orden en el cual los ribonucleótidos se polameman para formar una cadena de RNA Durante la iniciación de la transcripción, la RNA polime rasa se une a sinos específicos en el DNA (el promotor), di socia localmente el DNA de hebra doble para poner al des cubierto la hebra molde desapareada y polimeriza los prime ros dos nucleótidos Durante la elongación de la hebra, la RNA polimerasa se desplaza a lo largo del DNA, disocaando segmentos secuen ciales del DNA y agregando nucleótidos a la hebra de RNA creciente Cuando la RNA polimerasa llega a una secuencia de ter minación en el DNA, la enúma detiene la transcripción lo que da como resultado la liberación del RNA terminado y la disociación de la enzima del DNA molde • En el DNA procarionte, varios genes codaficadores de protnas suelen agruparse para formar una región funciO nal, un operón, que se transcribe a partir de un único pro motor para formar un mRNA, que codifica múltiples proteí nas funciones relacaonadas (véase fig 4-12a) La traduc- http://MedicoModerno.Blogspot.com 114 115 zimas necesarias en la biosíntesis del triptófano (véase fig 412) De manera similar, el operón lac codifica tres enzimas requeridas para el metabolismo de la lactosa, un azúcar pre sente en la leche Puesto que un operón bacteriano se trans cribe a partir de un sitio de inicio a un único mRNA, todos los genes dentro de un operón están regulados coordmada mente; es decar, todos son activados o reprimidos en igual me dida Los rranscriptos primano� de eucarionre deben atravesar el procesamaento de RNA para producir RNA funcaonales Durante el procesamiento, los extremos de casa todos los transcriptm primarios de los genes codificadores de proteí nas se modafican mediante la adicaón de un casquete 5' y una cola poli(A) L l os transcraptos de los genes que contienen antrones sufren la escisión y eliminacaón de antrone� y la unión de exones (véase fig 4·14 ) La tran y otros organasmos unice lulares, la expresaon génaca esta altamente regulada de mane tal de a¡usrar la maquanana en11manca de la célula y los componentes estructurales a Jo., cambaos en los medios nutn cional y físico De esta forma, en cualquier momento, una cé lula bacteriana sólo sintetiza las proteínas de su proteoma re queridas para sobrevivir en condiciones particulares rn los organismos multicclulares, el conrrol de la expresaón génaca está en gran medada dingado hacia el ob¡envo de asegurar que el gen correcto !.Ca expresado en la célula correcta en el mo mento correcto durante el desarrollo embrionario y la dife renciación de te¡idos Aq describimos las caracterÍ!>tlcas bá sicas del control de la transcnpción en las hacrenas, utilazando como primer ejemplo el operón lac en E coli Muchos de es tos procesos, al igual que otros, están involucrados en el con trol de la transcripción eucarionte, que se aborda en el capí tulo l En F colt, casi la mitad de los genes están agrupados en operones, cada uno de los cuales codifica enzimas involucra das en una vía metabólica en particular o protnas que ante ractúan para formar una proteína de subunidades múltiples Por ejemplo, el operón trp ya mencionado, codifica cinco en- -:r:;- ,- ; •r' �r.l c;r ,rón laf" Cuando L colt se encuentra en un medio que carece de lactosa, se reprime la síntesis del mRNA lac, para que la ener gía celular no se Jesperdicie sintetizando enzimas que las cé lulas no pueden utalizar En un medao que contiene tanto lac tosa como glucosa, las células de colt metabolazan preferentemente la glucosa, la molécula central del metabo lismo de los carbohidratos La lactosa es metabolizada a gran velocidad c,ólo cuando la lacto!>a está presente y la glucosa se reduce drástu amente del medao fste a¡uste metabólico se logra repnmaendo la transcripción del operón lac hasta que la lactosa ec,té presente, y la síntesi'> de sólo niveles bajos de mRNA lac hasta que la concentración catosólica de glucosa caiga a naveles ba¡os La transcripcaón del operón lac en dis tintas condac1ones es controlada por el represor lac y por la proteína acmadora de catabolito (CAP), cada una de las cua les se une a una secuencaa de DNA específica en la región de control de transcnpcn de lac (fag 16, amba) Para que la transcnpción del opcron lac comaence, la su " bunidad a " de la RNA polimerasa debe unirse al promotor lac, que se ubica a poca distancia corriente arriba del SitiO de inicio Cuando no hay lactosa presente, la unaón del represor lac a una secuencaa denommada operador lac, que se super pone al satio de macao de la transcnpcaón, bloquea la inacaa caón de la tramcnpuón por la polimera�a (fig 4-16a) Cuan la lacto'>a e'>tuele codificar valina, y CUG, leucina, pero rara ,·ez, e�tos codones pueden también codificar merionina para iniciar una cadena proteica el código genético, 61 especifican aminốcidos individuales y tres son codones de terminació n El cuadro 4-1 muestra que la mayoría de l os aminoácidos son codificados por más de un codón Sólo dos -la metionina y el triptófano- tienen un úni co codón; en el otro extremo, la leucina, la serina y la argi nina están especificados, cada uno, por seis codones diferen tes Se dice que los distintos codones para un aminốcido dado son sinónimos El código en sí mismo es denominado degenerado, lo cual implica que más de un codón puede es pecificar el mismo aminốcido La síntesis de todas las cadenas polipcptídicas en las célu las procariontes y eucariontes comienza el aminoácido me tionina En la mayoría de los mRNA, el codón de inicio (ini ciador) que específica esta metionina aminoterminal es AUG En algunos mRNA bacterianos, GUG se usa como el codón iniciador, y en ocasiones CUG se usa como codón iniciador para la metionina en los eucarionres Los tres codones UAA, UGA y UAG no especifican aminốcidos, pero constituyen ca dones de terminación (stop) que marcan el carboxilo terminal de las cadenas polipeptídicas en casi todas las células La se cuencia de codones que transcurre desde un codón de inicio específico hasta un codón de terminación se denomina marco de lectura Esta disposición lineal precisa de ribonucleótidos, en grupos de tres, en el mRNA especifica la secuencia lineal exacta de aminoácidos en una cadena polipeptídica y sala también dónde comienza y termina la síntesis de la cadena Debido a que el código genético es un código de rripletes no superpuesto y sin comas, en teoría un mRNA particular po dría ser traducido en rres marcos de lectura diferentes De he cho, algunos mRNA han demostrado contener información su perpuesta que puede ser traducida en distintos marcos de lectura, produciendo distintos polipéptidos (fig 4-20) Sin embargo, la gran mayoría de los mRNA sólo pueden ser leídos en un mar co de lectura porque los codones de terminación que se encuen tran en los otros dos posibles marcos de lectura terminan la tra ducción antes de que se produzca la protna funcional Otra disposición de codificación no habitual se debe al corrimiento del marco de lectura ({rameshifting) En este caso, las estructu- http://MedicoModerno.Blogspot.com Terminación Terminación Polipéptido La traducción, o decodificación, del lenguaje de cuatro nucleótidos del DNA y mRNA al lenguaje de 20 aminoá cidos de las proteínas requiere tRNA y enzimas denomina das aminoacil-tRNA sintetasas Para participar en la sínte sis de proteínas, una molécula de tRNA debe estar unida qmicamente a un aminốcido en particular a través de un enlace de alta energía, formando aminoacil-tRNA; luego, el anticodón en el tRNA aparea las bases un codón en el mRNA para que el aminốcido activado pueda agregar se a la cadena polipeptíd.ica en crecimiento (fig 4-21 ) Se han identificado alrededor de 30-40 tRNA diferen tes en las células bacterianas y tantos como 50-100 en las células animales y vegetales En consecuencia, el número de tRNA en la mayoría de las células es superior al número de aminốcidos utilizados en la síntesis de proteínas (20) y también difiere del número de codones de aminốcidos del código genérico (61) En consecuencia, muchos aminốci dos tienen más de un tRNA al cual pueden fijarse (lo que explica cómo puede haber más tRNA que aminốcidos); además, muchos tRNA pueden aparearse más de un codón (lo cual explica cómo puede haber más codones que tRNA) La función de las moléculas de tRNA, que tienen 70-80 nucleótidos de largo, depende de la exactitud de sus estruc turas tridimensionales En solución, todas las moléculas de t-RNA se pliegan en una disposición similar de tallo bucle, semejante a una hoja de trébol dibujada en dos di mensiones (fig 4-22a) Los cuatro tallos son hélices dobles cortas estabilizadas por aparcamiento de bases de Watson y Crick; tres de los cuatro tallos tienen bucles que contie nen siete u ocho bases en sus extremos, mientras que el ta llo sin bucle restante contiene los extremos libres 3' y 5' de la cadena Los tres nucleótidos que componen los antico dones están ubicados en el centro de un bucle, en una po sición accesible que facilita el apareamiento de bases entre el codón y el anticodón En todos los tRNA, el extremo 3' del tallo aceptor de aminoácidos sin bucle tiene la secuen cia CCA, que en la mayoría de los casos se agrega después de que haya sido completada la síntesis y el procesamien to de tRNA Varias bases en la mayoría de los tRNA tam bién son modificadas luego de la síntesis Vista en tres di mensiones, la molécula plegada de tRNA tiene una forma Á Fig 4-20 Ejemplo de cómo el código genético -un código de tripletes no superpuesto, sin interrupciones- puede ser leído en diferentes marcos Si la traducción de la secuencia del u Ser Ser sus funciones decodificadoras Marco u e Leu Leu la estructura plegada de tRNA promueve mANA 5'- 70S JOS http://MedicoModerno.Blogspot.com 124 molécula!> de proteínas en los ribosomas excede en gran me dida el número de molécula!> de RNA, éste constituye cerca dt>l 60% de la masa de un ribosoma Durante la traducción, un ribosoma se mueve a lo largo de una cadena de mRNA interactuando distintos facto·� proteicos y loe; tRNA y es muy probable que sufra gran des cambioc; conformae�onales A pesar de la complej1dad del ·1bosoma, se han reahzado importantes progresos en la de terminación de la estructura global de los ribosomas bactc runos y en la identificación de distintos sitios acuvos Por emplo, estudios de cristalografía de rayos X del ribo!>oma "70S de T thermophilus, no sólo han revelado las dimensio,es y la forma global de las c;ubunidades ribosómicas, sino tamh1én la locali1ación de las posic1ones de umon de loe; tR ]\¡\ al ribosoma durante la elongación de una cadena de pro tema creciente AJcmás, técmcas qmicas poderosas, como e ensayo de umón al DNA o ensayos de huellas (footprin ting), que !>e descnbe en el capítulo 11, han siJo utilizadas para Identificar la secuencia de nucltidotán codificado� por múlnples codones (véase cuadro ) U codón AUC para la met1onma es el codón Je IOICIO más comun, y espeCifica el ammoac1do del extremo Nll,- terminal de una cadena de proteína Tres codones (UAA, UAG, UGA) funcionan como codones de terminación y no especifican nin gún ammốc1do -;¡ g i ,.� ;.as t:: • � , • � o ·¡: � :::1 w 28S: 5,8S (4800 rNT, 160 rNT) � + Un marco de lectura, la secuencia inmrerrump1da de ca dones en el mRNA desde un codón de imc1o específico has ta un coJón de tcrmmación, se traduce en una !>ecuencia li neal de ammoáctdos en una cadena pohpeptídica Total: 50 SS (120 rNTl � + La decodificación de la secuencia de nucleótidos en el mRNA en una secuencia de ammốc1dos de una prot na depende de los tRNA y de las aminoacil-tRNA sinre tasas Total: 33 18S (1900 rNT) A Fig 4-24 Estructura general de los ribosoma s en procariontes y eucariontes En todas las células cada ríbosoma está constitUido por dos subumdades una mayor y una menor Las dos subunídades continen rANA (ro¡o) de distintas longitudes, como también un grupo d1ferente de proteínas Todos los nbosomas contienen dos moléculas 40S 80S principales de rANA (23S y1 S en las bacterias 28S y 18S en los vertebrados) y un rANA 5S La subunídad mar de los nbosomas de los vertebrados también contiene un rANA 5,8S que forma pares de bases el rANA 28S En cada tipo de rANA se 111d1ca el número de ríbonucltldos (rNT) Todos los tRNA nenen una estructura tridunensional si milar, que incluye un brazo aceptor para la fijación de un aminốcido específico y un tallo bucle una secuen cia anticodón de tres bases en el extremo (véase fig 4-22) El anticodón puede aparearse su correspondiente codón del mRNA Debido a las mteracciones no estándares, un tRNA pue de aparearse más Je un codón del mRNA; a la inversa, un codón particular puede tener un aparcamiento de hases • Pasos de la síntes1s de proteínas sobre los ríbosomas 125 múltiples tRNA Sin embargo, en cada caso, sólo el ami nốcido adecuado es insertado en una cadena pohpeptídica creciente Cada una de las 20 aminoacil-tRNA sintetasas recono ce un único aminoácido y lo une, mediante enlaces cava lentes, a un tRNA análogo, para formar un aminoacil-tR NA (véase fig 4-21 ) Esta reacción activa el aminốcido para que pueda participar en la formación de un enlace peptÍdiCO Tanto los nbosomas de los procariontes como los de los eucariontes -los grandes complejos de ribonucleoproteínas sobre los cuales ocurre la traducción- constan de una subu mdad mayor y una menor (véase fig 4-24) Cada suhunidad contiene numerosas proteínas diferentes y una molécula pnncipal de rRNA (grande o pequeña) La subunidad gran de también contiene un rRNA SS accesono en los proca riontes y dos rRNA accesorios en los eucariontes (55 y 5,8$ en los vertebrados) Los rRNA análogos de muchas especies diferentes se pliegan para formar estructuras tridimensionales que contie nen numerosos tallos bucles y sitios de unión para pro tnas, mRNA y tRNA Muchas protnas ribosómicas pe quas se asoc1an la penfena de los rRNA Pasos de la síntesis de proteínas sobre los ribosomas Fn las secctones anteriores se describieron los principales participantes en la síntesis de proteínas: el mRNA, los tRNA ammoac!lados, y los nbosomas que contienen los rRNA gran de y pequeño Ahora se verá en sus detalles cómo estos com ponentes se juntan para realizar los procesos bioquímicos que conducen a la formac1on de las proteínas en los ribosomas El complejo proceso de la traducción, similar a la transcrip ción, se puede dividir en tres etapas -iniciación, elongación y termmac1ón- que se considerarán en orden Centraremos la descripción de la traducción en las células eucariontes, pero el meca111smo de la traducción es fundamentalmente el mi!> mo en rodas las células El codón de Iniciación AUG es reconocido por el metionll-tRNA M8t Como ya se dijo, el codón AUG para la metionina fun ciona como codón de inicio en la gran mayoría de los mR NA Un aspecto crítico de la iniciación de la traducción es comenzar la síntesis en el codón de inicio, estableciendo así el marco de lectura correcto para todo el mRNA Tanto los procariontes como los eucanontes conuenen dos metionina tRNA diferentes: tRNA,M" puede iniciar la síntesis de proteí nas, tRNAM« puede incorporar metionina sólo a la cadena creciente de proteína La misma aminoacil-tRNA sintetasa (MetRS) carga ambos tRNA metionina Pero sólo Met tRNA,·\1" (es decir, la metionina activada fijada al tRNA,M«) es capaz de umrse al sitio apropiado sobre la subumdad ri bosómica menor, el sitio P, para comenzar la síntesis de una cadena polipcptídica El Met- tRNAM" regular y todos lo!> otros tRNA cargados se unen sólo a otro sitio ribosómico, el sitto A, como describiremos más adelante ... U11i1'erstty o( Mtclngan Mtdtcle Hearb, Unil•ersity o( 1cmmto Mernll Hillc, UmL•ersity o( '1/ ashington R 11 hard Holdern,ln, Indiana Uml'ersity J Hont�, Drc1kc Unit•ersity 11 Roben Hon ttz, Massachusetts... U11i1'ersity o( Vt1terloo Paul Grcnwood, Colhy College Barn 1 Gurnhmer, U11iL•ersity o( 'irgi11ia Dtpak Hald,u, St jolm's Unil•crsit' Vtn1 ent llascall, lhe Clet•eland Clmic Je.,.,e C Hay, U11i1'erstty... culcsterul hacia adentro y afuera de las células 5a EDICIÓN Harvey Lodish http://MedicoModerno.Blogspot.com HARVEY LODISH es Profesor de Biolo gía en el Massachussets lnstitute of Technology y miembro