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Índice:
Prólogo
La
información codificada
Origen de la vida: suposiciones
¿Cómo llegó la información al ADN?
Duplicación
Del ADN al ARN mensajero
El problema de unir aminoácidos
Síntesis de proteínas
Ribosomas
¿Primero fue el ARN?
El objetivo de este trabajo es divulgar como actúan los Ácidos Nucleicos.
ADN:
Se discute su posible origen por azar.
Se indican las dificultades para que ello ocurra, como pretexto válido, para comprender las bases moleculares de la materia viviente.
Me niego admitir la tesis de teorías, cuyas verdades aceptamos resignados, por no ser posibles someterlas a comprobación.
Karl Popper.
Quien impone las leyes de la naturaleza, es nuestro intelecto.”
Kant
Prólogo
ADN:
colosal información y duplicación
¿Origen por azar?
La explicación del
funcionamiento de un ser vivo está en su ADN.
Incluso, están en él, los
datos para sintetizar enzimas que lo harán duplicarse.
La
propiedad básica de la vida es la reproducción con variación. Y su
transmisión a la descendencia.
Y
la única molécula autoduplicable, de origen biológico, es el ADN.
¿Se
pudo formar azarosamente, la información colosal que contiene una molécula
de ácido desoxirribonucleico ?
Todos
los trabajos de ingeniería genética, que se están realizando, lo hacen
con enzimas extraídas de bacterias y un molde de ADN.
No
se ha podido sintetizar ¨ in vitro ¨ una pequeña molécula de ADN,
partiendo solamente de sustancias químicas aisladas, de origen abiógeno.
Pero,
aún cuando se pudiera fabricar artificialmente una doble hebra de ADN,
habría que lograr su autoduplicación, sin enzimas, pertenecientes a
otros seres vivos.
El problema: información codificada
Pero,
cuando esto se pudiera realizar, nos queda el gran problema de la
información ordenada de cientos de miles o millones de pares de bases
nitrogenadas. (bs. ns.)
Tripletes
de 4 bases nitrogenadas del ADN, son el código de reconocimiento enzimático
en ribosomas, para fabricar proteínas.
Para
una de ellas, de sólo 100 aminoácidos, las posibilidades de un
ordenamiento casual, serían de 4 ( por las diferentes bases ) elevado a
la potencia 100.
¡Un 4 seguido de 100 ceros! (La
cantidad de átomos del Universo se estima en 10 elevado a la potencia
80).
Generalmente,
cada enzima contiene cientos de aminoácidos. Un pequeño error, en el
orden de las bases, puede cambiar un solo aminoácido y hacerla
defectuosa. Y ocasionar enfermedades o cambiar una característica
externa.
En
la anemia falciforme ( glóbulos rojos alargados ), fatal en la juventud,
basta el cambio del ácido glutámico de la Hemoglobina por la valina (
ambos AA ).
Hasta
que no se descubra vida en otros planetas, o algo similar a lo que
llamamos materia viva, existe un patrón común para todos los organismos,
( en nuestra Tierra ).
El
ADN se duplica igual, siempre, en todos los seres vivos. Con algunas
diferencias entre Pro y Eucariotas.
Las
proteínas se sintetizan de la misma forma.
El
código genético es idéntico en los tan diferentes animales, vegetales,
hongos y bacterias. ( Con rarísimas excepciones ).
Todas
las proteínas se inician con el triple AUG que significa Metionina. ( En
procariotas como las bacterias formilmetionina ).
Las
enzimas, que intervienen en los procesos vitales de la Respiración
Celular, Fermentación, Fotosíntesis, etc. son las mismas.
¿Qué nos está probando esto?
Quizás
poseamos un origen común.
¿La vida se habrá formado una sóla vez, en un sólo organismo primordial? o
¿Es una consecuencia de las posibilidades químicas de la evolución
molecular?
¿Pudo la vida surgir en varios lugares diferentes?
Lo
fundamental:
1)
Si se hubieran formado al azar todas las proteínas necesarias para la
duplicación del ADN y su traducción en ARN mensajero, ¿ cómo pasó esa
información de las proteínas al ARN ?
2)
No se conocen mecanismos que conviertan una proteína en ADN.
3)
Es decir, aún admitiendo que proteínas y enzimas necesarias se hubiesen
formado por casualidad, ¿ cómo pasó esa información al ADN para luego
poder sintetizarlas ?
Las
supuestas teorías acerca del ORIGEN DE LA VIDA: meras suposiciones.
De
acuerdo a Popper, para que una teoría pueda llamarse científica, tiene
que poder ser ¨ falsable ¨ ( poder realizar una experiencia u observación
que la compruebe ), si no es una mera especulación metafísica.
¿
Qué experiencia crucial se ha ideado o realizado que compruebe que un ser
vivo se puede originar casualmente de un caldo orgánico prebiótico ?
Sólo
se han formado sustancias orgánicas a partir de inorgánicas, en diversos
ensayos ( Miller, Ponnameruma, Oro, etc ).
Se
ha probado que el ARN puede tener actividad enzimática. Pero de ahí a
creer que el ARN podría haber formado las enzimas y proteínas necesarias
para el funcionamiento de una célula, está muy lejos.
No
hay experiencias que lo comprueben.
Y
aún cuando pudiera haber sido así, tal cual lo expresamos, ¿ cómo habría
pasado la información al ADN ?
Por
la enzima transcriptasa inversa, un ARN viral, puede fabricar en ADN.
Luego
este hacer trabajar a toda la maquinaria celular para sintetizar sus
propias proteínas. Pero aquella enzima ya está en los retrovirus. Aparte
del propio ARN viral.
¿Pero cómo adquirió la información el original, para fabricar las proteínas
necesarias precisas, en el momento preciso?
¿Cómo se podía haber integrado ¨ por azar ¨ al ADN, los miles de bases
nitrogenadas necesarias para sintetizar la gran enzima ADN polimerasa?
Que
no sólo es la más importante en la duplicación de la molécula maestra,
sino
¡que corrige sus propios errores!
¡Retrocediendo en las nuevas hebras de ADN, retirando las bases erróneas e
introduciendo las correctas!
¡Y sólo es una gran proteína que trabaja, consumiendo energía!
Origen de la vida: suposiciones
La
2º Ley de la Termodinámica
Las cosas organizadas tienden al caos y al desorden, si su
estructura no se mantiene.
Así
lo expresa la segunda ley de la termodinámica.
Un
ser vivo posee la información (ADN), que le permite mantener su
organización, reproducirse y evolucionar. Y también las formas de
obtener energía para realizar el mantenimiento (por fermentación o
respiración aerobia en mitocondrias).
No
se sabe como surgieron las primeras moléculas de ADN, ni tampoco se le ha
podido fabricar en el laboratorio, salvo usando enzimas extraída de otros
seres vivos para tal fin. (Arquebacterias termófilas).
Las
posibilidades que su síntesis se realizara por fluctuaciones al azar de
las moléculas orgánicas es extremadamente pequeña. (Illya Prigogine).
Y
aunque así hubiera sucedido, tendría que contener toda la información
necesaria, para fabricar las enzimas, que le permitan duplicarse.
Aquí
se encuentra la primera característica diferencial de los seres
vivientes: la reproducción.
Del
ARN al ADN
Se
conocen propiedades enzimáticas de cortos fragmentos de ARN ( ácido
ribonucleico ), que podrían luego sintetizar ADN. Pero el orden de bases
del ARN, es el del ADN ( ARN cebador, ARN telomerico ).
Las
Ribozimas, son trozos de ARN con propiedades enzimáticas ( organismos en
algunos inferiores ).
Y
tampoco esas Ribozimas ( fragmentos de ARN ), podrían aportar información
para, ordenar bases nitrogenadas que luego se traducirán en enzimas
funcionales.
Para
autoduplicarse el ADN requiere varias enzimas y cofactores, que tendrían
que existir desde un comienzo. Si no están, no puede realizarse la
replica de un molde.
Es
tal la complejidad de la reproducción del ADN y de la síntesis de proteínas,
que nos resulta inexplicable que esos procesos se hubieran formado al
azar.
Por
ello, los detallamos en las páginas siguientes.
Virus
Los
virus, que contienen ADN o ARN y proteínas, no pueden reproducirse en un
caldo orgánico.
Que
posee todos los nutrientes necesarios. Necesitan de una célula viva.
Una
bacteria como Escherichia coli posee 2000 enzimas diferentes.
Y
cada una formada por más de 100 aminoácidos.
Y
cada aminoácido requiere una información en el ADN de tres bases
nitrogenadas ordenadas. por cada uno de esos AA.
Hagamos
las cuentas de la cantidad enorme de información que se requiere para que
funcione una sencilla bacteria de pocas milésimas de milímetro de largo.
Azar y probabilidad
La
probabilidad de que una persona resuelva el cubo de Roslik, sin observar
su movimiento anterior, es decir al azar, es de 300 veces la edad de la
Tierra.
Estas
ideas no son originales. El astrónomo Fred Hoyle y científicos de la
India ya la habían sostenido. Y también, nada menos que Francis Crick,
Premio Nóbel por el descubrimiento de la estructura del ADN. Creía poco
menos que imposible, que la materia viviente hubiera surgido por
casualidad.
Vida extraplanetaria
Sostenía
la teoría de la panspermia dirigida. La vida traída a nuestro planeta
por civilizaciones inteligentes que aparecieron antes. La edad del
Universo sería de unos 13.000 millones de años.
Y
la de nuestra Tierra 4.500 millones. Un lapso de tiempo muy grande habría
permitido el surgimiento de la vida, antes, en el Cosmos.
Pero
esta hipótesis, solo traslada el problema, no lo resuelve. Aunque es una
posibilidad a tener en cuenta. Lo importante, es que un científico del
nivel de Crick, no creyera en el surgimiento de los seres vivos por azar.
Nosotros
tampoco lo resolvemos, solo tratamos de que no se enseñen las meras
suposiciones acerca del Origen de la Vida, como hechos comprobados.
ADN:¿surgió al azar?
El
ADN contiene una monumental información para fabricar proteínas.
Son
precisamente proteínas, todas las enzimas. Dirigen y regulan el
funcionamiento de la materia viva.
Su
síntesis, como todo trabajo, requiere energía. La misma se obtiene del
ATP o GTP ( acumulados durante la respiración celular aerobia o
fermentación ).
¡Y las enzimas necesarias, para estos procesos, provienen del orden de bs.
ns. del ADN!
¿Cómo llegó esa inmensa información?
Las sustancias ( moléculas orgánicas e inorgánicas ), necesarias
para la duplicación del ADN y fabricación de enzimas, provienen
del alimento digerido. La propiedad fundamental de los seres vivos, es de
la reproducción con variaciones, transmitidas por
herencia. Y en la base de estos procesos, está el ADN.
La
pregunta clave es ¿ Se puede formar una molécula de ADN, sin un molde
de otro ADN ?
Las
síntesis que se están realizando de este ácido nucleico, es con enzimas
provenientes de bacterias y con un molde de ADN.
Pero
aún, cuando se pudiera demostrar, que una molécula de ácido nucleico se
reproduce en un medio abiógeno, nos queda el problema de la Información.
¿Cómo se formó toda la secuencia ordenada de las más de 4 millones de
bases nitrogenadas de una bacteria?
¿Pudo haber sido por azar?
¿Se puede demostrar esta afirmación o es una suposición frente a lo
inexplicable?
ADN: La forma de autoduplicarse
y sintetizar Proteínas, es muy semejante, desde bacterias al hombre,
pasando por el reino vegetal, animal, fúngico y procariota.
También
es idéntico el alfabeto molecular, que
nos da el orden en que deben insertarse los aminoácidos. ( Con sola pocas
excepciones para algunos AA en el ADN mitocondrial y en algunos
Protozoarios ). Todas las proteínas, se inician con la Metionina (
TAC en el ADN, AUG en ARN ) y las señales de ¨ FIN ¨, en la síntesis
proteica, son iguales en todos los seres vivos ( AUG, AGU, AGG ), con dos
variaciones en mitocondrias. El Código Genético se esribe de acuerdo a
las bs. ns. del ARN mensajero.
¿Qué nos está probando esto?
Quizás,
un origen común, de la materia viva.
Pero,
lo que nos deja más estupefactos, es la corrección de errores, en la duplicación. Lo que
veremos, en forma compactada, para tener una idea de la coordinación y
complejidad de los procesos vivientes son:
1) Duplicación del ADN
2) Síntesis del ARN mensajero y
3) Fabricación de proteínas .
Un
trabajo aparte merecería el ¨encendido¨ y ¨apagado¨ de genes
(
Regulación Genética ), que sorprende por su compleja y fina obra de
ingeniería genética ¨ natural ¨.
Duplicación del ADN
Conservación de la estructura tridimensional
Para que el ADN pueda autorreplicarse debe estar ¨ estirado ¨.
Ello se logra por enzimas topoisomerasas, e iones Magnesio (
Mg + t ). Mantienen alejados entre sí a los grupos fosfatos con cargas
negativas.
Las
enzimas topoisomerasas rompen las cadenas de ADN y luego las vuelven a
unir.
Además,
de la estructura en 3 dimensiones del ADN, descripta por Watson y Crick (
forma B ), existe otra forma Z, con giro hacia la izquierda, que no es
activa.
Si
al ADN se priva de estas enzimas y de Mg, espontáneamente tiende a formar
trenzas en ocho, haciendo imposible el inicio de la replicación.
En
Procariotas, el ADN posee forma circular ( y súper enrollado, cuando no
es funcional ).
En
Eucariotas está empaquetado en subunidades ( núcleosomas ), por medio de
proteínas básicas ( histonas ).
Inicio de la duplicación
El desenrollamiento del ADN, no requiere energía externa, pues
posee energía acumulada ( reacción exergónica o exotérmica ), por la
tensión del enrrollado.
Las
cadenas separadas de cada molécula del ácido nucleico se mantienen
separadas por Proteínas de Unión y del ión Mg+:se forma
la Horquilla De Duplicación.
Proteínas
de Iniciación: reconocen secuencias determinadas
de bases nitrogenadas para efectuar el corte de hebras del ADN, por
enzimas Endonucleasas. La unión de Proteínas de iniciación a bs.
ns., ordenadas específicamente, se conoce como Promotores, en
donde serán reconocidos por la ADN polimerasa.
El
ADN comienza a replicarse, en varios puntos, simultáneamente.
Previamente,
se rompen los puentes de hidrógeno que mantenían unidas a las bases
nitrogenadas ( bs. ns. ) por acción de enzimas Helicasas.
Son
ATP dependientes ( requieren energía ), pues cada enlace de H poseen una
energía de 4 a 5 kilocalorías por mol.
Si
los enlaces entre bases, fuera más fuerte, sería difícil o requeriría
más energía, la separación de las hebras.
Las
macromoléculas de ADN, que poseen mayor número de bases Citosina –
Guanina, son más estables. Al estar unidas por 3 enlaces hidrógeno,
frente a dos de la unión Adenina – Tiamina.
El
ARN transferidor, posee mayor número de pares C – G.
ARN
cebador: es necesario para iniciar
efectivamente la duplicación del ADN.
La
ADN polimerasa no puede sintetizar en la dirección 3´----- 5´ de
los Carbonos de la desoxirribosa.
Por
eso, se debe unir a un pequeño fragmento de ARN ( cebador ). Y comienza
C5´___ C3´.
Además,
la ADN polimerasa, sólo puede unir nucleótidos, al final de otros
preexistentes. Es decir, puede unir una cadena de ADN, a un fragmento de
otro ácido nucleico.
En
cambio, la ARN polimerasa puede unir dos nucleótidos entre sí.
Cuando
el ARN cebador, ya ha unido 10 nucleótidos, a la cadena abierta de ADN,
actúa la ADN polimerasa.
Posteriormente,
otras enzimas remueven al ARN cebador, que sirvió al inicio de la
duplicación del ADN.
Algunos
teóricos del problema del Origen de la Vida creen que el ARN habría
surgido previamente al ADN dado su poder enzimático. Pero las ARN
primasas, son copiadas del ADN, es decir que la información original está
en este último.
Las
ARN primasas, constan de un ARN corto y unidas a por los menos 6 proteínas
diferentes, conociéndose el complejo como Primosomas. Actúa para
preparar las repetidas iniciaciones de la cadena rezagada. ( de Okazaki ).
Se le llama así, porque comienza a duplicarse posteriormente.
El
ARN cebador tiene una sola hebra y se adhiere a la enzima fundamental de
la replicación, la ADN Polimerasa, la cual adiciona el primer
nucleótido complementario al ARN cebador. Se forma una corta doble cadena
híbrida ARN-ADN.
Luego
de copiado todo el ARN cebador, se elimina la cadena híbrida.
Recién
luego comienza la duplicación del ADN original. Telómeros.
Polimerasa
del ADN
En la
enzima clave que efectúa la unión de los nuevos nucleótidos a las
cadenas hijas del ADN.
Es
un ¨ gran enzima ¨, no sólo por su función clave, sino también por su
tamaño: posee 1.100 aminoácidos y estructura secundaria ( dos
dimensiones ).
Pero,
como todo trabajo requiere energía. La necesaria para insertar cada nuevo
nucleótido, proviene de la hidrólisis de los respectivos trifosfatos de
bs. ns.
ATP ( Trifosfato de adenosina: adenina – ribosa – 3 grupos
fosfatos )
GTP ( Trifosfato de guanosina: guanina – ribosa – 3 grupos
fosfatos )
TTP ( Trifosfato de timidina: timina – ribosa – 3 grupos
fosfatos )
CTP ( Trifosfato de citidina: citosina – ribosa – 3 grupos
fosfatos ).
La
ruptura de los enlaces de alta energía de los trifosfatos libera 8
kilocalorías por mol y se liberan dos grupos fosfatos y los mononucleótidos
correspondientes:
( AMP: adenina monofosfato )
( GMP: guanina monofosfato )
(
TMP: timina monofosfato )
( CMP: citosina monofosfato ).
Los
dos fosfatos restantes, son eliminados enzimáticamente, para evitar
interferencias bioquímicas o energéticas.
Los
monofosfatos, de la base respectivas, son los que ingresan a formar la
nueva cadena de ADN.
La
ADN poli. se mueve a lo largo de cada hebra de ADN, con la energía
obtenida por la degradación de trifosfatos de nucleótidos.
ADN Ligasas
Son las que realizan la unión de las nuevas bases ns. ( con su
respectiva ribosa y fosfato ) a las cadenas originales de ADN.
Corrección de Pruebas
La tasa
de errores en la inserción de bases complementarias es de 1 error por en
1.000 millones a 1 billón de pares de bases duplicadas.
Pero,
esa pequeñísima tasa de equivocaciones, se puede transformar en
mutaciones, con cambios hereditarios.
Y
he aquí lo asombroso:
La Polimerasa de ADN retrocede luego de copiar un fragmento
y efectúa la primera corrección de pruebas, retirando las bases
insertadas erróneamente y colocando las correctas.
Luego
de finalizada esta primera corrección y terminada la duplicación del
ADN, intervienen otras enzimas. Cortan ( Endonucleasas ), retiran y
destruyen el mononucleótido erróneo ( exonucleasas ) y empalman por
medio de la ADN polimerasa el grupo químico correcto.
Mecanismo
alterno de Reparación por escisión: ( en pro y eucariotas )
A) ADN glucosilasa escinde la base errónea, por corte de su unión
con la desoxirribosa ( enlace glucosídico ).
B) Endonucleasa: elimina la base errónea y adiciona la correcta.
Existen distintos tipos de ADN,
cada una para cada una de las bases alteradas.
Repuesta S.O.S.
Es ADN
de una sola cadena (monocatenario), encontrado en Bacterias
(Escherichia coli).
Induce
la transcripción de más de 15 genes, muchos de los cuales codifican
enzimas para reparación de errores.
También
se ha encontrado en bacterias y levaduras, un sistema de reparación, que
se activa por nucleótidos metilados.
Metilación
Lo que sucede luego de la duplicaión:
Para impedir que se transcriban en ARN mensajero o el ADN sea
cortado por endonucleasas, otra enzima, la ADN metiltransmetilasa
adiciona grupos metilo, en ciertas bs. ns. ( adenina, en el carbono 7 y
citosina en el carbono 5 ).
Nuevo
enrrollamiento del ADN sintetizado: es
realizado también por la enzima topoisomerasa.
En
este caso, se requiere energía del ATP. En particular, las enzimas
¨enrrolladoras¨ se llaman
ADN girasas.
Replicación del ADN
Palabras claves
-Enzimas
Topoisomerasas
-Ion
Magnesio ( Mg + t )
-Proteínas
de iniciación
-Proteínas
de unión (¨Horquilla de replicación¨)
-Enzimas
Helicasas + ATP
-ARN
Cebador . ( ARN primasas )
-Polimerasas
del ADN
-Materia
prima del alimento ( bases nitrogenadas, pentosa, desoxirribosa,
sustancias energéticas, etc ). Las base nitrogenadas no ingresan ¨
aislados ¨. Sino como trinucleótidos: ATP, TTP, CTP, GTP.
-ADN
ligasas
-Corrección
de Pruebas
-Metilación
( ADN metilasas )
-Nuevo
enrrollamiento ( ADN girasas + ATP )
Están
indicados sólo los elementos sustanciales.
La
duplicación del ADN se inicia en forma continua en uno de los tirantes de
la molécula . En el otro se realiza por fragmentos ( de OKAZAKI ), que
luego son unidos por enzimas ADN ligasas.
La
cadena continua se llama Líder y la otra Retrasada.
Los
fragmentos de OKAZAKI se originan por rupturas de la cadena
retrasada por acción de una parte de la ADN polimerasa.
Luego
la ADN poli. degrada al ARN cebador, permitiendo que otras polimerasas de
ADN entren en relación con el ADN.
Dos señales de terminación en bacterias
Se han descubierto dos señales
de terminación en la duplicación del ADN bacteriano:
1) seis secuencias con 20 pares de bases nitrogenadas cada una,
denominadas Ter ( Terminación
).
2) una Proteína que se une específicamente a los sitios TER,
formando un complejo ADN – Proteína ( Ter – Tus ).
El
término Tus proviene de ¨ Terminus utilization substance ¨,
que es la Proteína, que posee 282 AA y da tres giros alrededor del ADN en
las zonas Ter.
Este
complejo Ter – Tus inhibe a la
enzima replicativa, ADN beta helicasa.
Este
mecanismo, se encontró en Escherichia coli. En otra bacteria, Bacillus
subtilis, existe una enzima proteica, con el rol similar de finalizar la
duplicación del ADN circular. Pero el mecanismo es diferente, ( el
descubrimiento lo efectuaron Kamada y colaboradores en Japón, Revista
NATURE, vol. 383, 17/10/36 ).
Transmisión de la información ADN al ARN Mensajero
¿Por qué no fabrica directamente las proteínas el ADN?
a) Por su gran longitud ( 1,5
mts. en la célula humana ).
b)
Por su mayor protección en el núcleo. ( El citoplasma posee un
metabolismo más intenso.Más expuesto a mutaciones, como oxidaciones,
reducciones, radicales libres, etc ).
c)
Imposibilidad dr una macromolécula como el ADN, pueda salir y regresar al mismo lugar intacto.
d)
Porque el ADN se puede copiar en ARN.
e)
Por el hecho de poseer una matriz, se pueden hacer varias copias
sucesivas, del mismo trozo de gen y acelerar la velocidad de reacción.
f)
Hay que destruir el mensaje luego de logrado su objetivo circunstancial.
Eso sólo se puede efectuar con una copia ( ARN mensajero )
y no con el original.
¿Por qué el ARN posee Uracilo en el lugar de la Timina?
La
única diferencia entre ellos, Timina posee un radical metilo.
Estos
grupos químicos impiden la transcripción.
Por
eso, antes de iniciarse la copia ADN – ARN mensajero, el grupo metilo es
removido enzimáticamente de la timina, para poder realizarse la
copia del ARNm.
El
Uracilo, sin el grupo metilo, permite el
funcionamiento sin trabas del ARNm.
¿Por qué el ADN posee ¨Desoxirribosa¨ (con un Oxígeno menos)?
Por la misma razón.
Precisamente, en el Carbono
3 de la pentosa es donde se adiciona el grupo metilo, la desoxirribosa
posee sólo un H.
Si contuviera un OH, como la
ribosa, la metilación sería más difícil de realizar. La cadena de
ADN posee bases diferentes de cada lado. No es el mismo mensaje para
sintetizar Proteínas. Por lo tanto, sólo una parte de cadena una de las
cadenas es transcripta en ARNm ( cadena codificadora ).
Comienzo de la transcripción
1) Factor Sigma: reconoce el
sitio del inicio de la transcripción del ARN mensajero, con el molde del
ADN original.
El factor Sigma es una Proteína,
sin la cual, la copia no comienza en el lugar exacto.
Se une a la ARN polimerasa.
Luego de comenzada la transcripción, se disocia y queda libre para volver
a actuar.
2) Ion Magnesio: con sus
dos cargas positivas, se une temporariamente a las negativas del
grupo fosfato del ADN. En la cadena opuesta, a la que se está
realizando la transcripción, manteniéndola alejada. Lo mismo lo realizan
proteínas estructurales, manteniendo separada la cadena que se está
duplicando.
3) ARN Polimerasa: Es
una enzima mucho más compleja que la polimerasa del ADN.
Posee 5 cadenas distintas de
polipéptidos diferentes, cuyos pesos moleculares van de 10.000 a
160.000 daltones. ( 1 dalton es el peso real de 1 átomo de hidrógeno ).
No existen enlaces covalentes
entre las 5 cadenas distintas y son fáciles de separar.
La cadena alfa está
repetida dos veces, siendo entonces seis polipéptidos en total.
La cadena alfa está unida a
los restantes por unos pocos puentes de H. Es fácil de separar del núcleo
de la enzima.
Es ella la que selecciona el
punto específico, en donde debe comenzar la transcripción ( seguramente
está interrelacionada con la proteína sigma ).
Sitios de union de la
ARN Polimerasa
En las células Procariotas,
se une a menos de 35 bases nitrogenadas, del punto de inicio, en la
secuencia TTGACA ( Timina – Timina – Guanina – Adenina – Citosina
– Adenina ). También a menos de 10 bs. ns. en otra serie de bs.
denominada ¨ CAJA DE PRINBOW ¨.
En las células Eucariotas,
la unión de la Enzima ARN poli., se efectúa 24 a 32 bs. ns. más allá
del punto de inicio de la transcripción, en la llamada ¨ CAJA TATAA ¨.
La copia se inicia siempre, por
Adenina o Guanina, siempre metiladas.
Ambas son pirimidinas. Con un
solo anillo nitrogenado.
4) Existen, otras secuencias
de inserción complementarias, que se van descubriendo.
También intervienen en la unión
ADN – ARN polimerasa, varias Proteínas diferentes.
5) El primer codón en el ADN,
en donde comienza la copia, es TAC que se corresponde en el ARN
mensajero con AUG.
Este codón, en el código genético,
corresponde al aminoácido Metionina.
Formación del ARN Mensajero
La ARN polimerasa viaja a lo
largo de una de las cadenas del ADN y va sintetizando el mensajero.
Con aporte de nucleótidos, del
medio interno del citoplasma. ( Originadas en primera instancia, en los
productos alimenticios ).
Cuando el ARNm posee
aproximadamente 20 nucleótidos, se añade la 7- Metil Guanina, por medio
de la enzima ARN metiltransferasa, en el extremo 5´ de la ribosa.
Las nuevas bases nitrogenadas,
para formar el ARNm, ingresan a éste, como trifosfatos de cada una de
ellas. ( ATP, UTP, CTP, GTP ).
Posteriormente, se escinden los
dos grupos fosfatos, que no ingresan al nuevo ARNm. En este proceso se
libera la energía, para realizar el trabajo de síntesis. De polipéptidos
o proteínas-
Terminación de la síntesis de Arn Mensajero
La parte final, de la molécula
de ARNm, contiene varios pares repetidos de CITOSINA – GUANINA,
seguidos por una ¨ cola de ADENINA ¨, con 50 a 200 nucleótidos
adenosina monofosfato ( AMP ).
La ARN polimerasa ll, reconoce
que debe finalizar su trabajo. A menos de 15 bases del final, está la
secuencia AAUAAA, en el ADN molde.
La ¨ cola de ADENINA ¨, sirve
para insertar el ARNm en ribosomas. Su objetivo es fabricar Proteínas. La
señal de ¨ STOP ¨, en la síntesis proteica, está marcada, antes de
iniciarse la cola de adenina, por las secuencias
UAA
UAG
UGA, que fueron copiadas del ADN original.
Pero es esencial, como
indicador del final de la transcripción ADN – ARNm, la presencia de una
Proteína de peso molecular 60.000: EL FACTOR RO ( o ). ( o )
Sin el factor ¨ ro ¨, el ADN
sigue añadiendo bs. ns. al ARNm. ¡ Las enzimas proteasas, destruyen los
ARNm, que carecen de los codones de ¨ STOP ¨!
Asombroso.
Maduracion ¨del ARN Mensajero
El ARN que se ha copiado, posee
tramos funcionales que se traducen en parte en genes ( EXONES ) y otros no
funcionales, que no portan mensajes de síntesis proteica. ( INTRONES ).
Pequeños fragmentos de ARN con
función enzimática unidos a proteínas,
( ¨ EMPALMADORES ¨) cortan y
escinden intrones.
Empalman sólo la parte
funcional ( exones ).
Las proteínas y el ARN, son
copiadas de información contenida en el ADN.
El ARN mensajero, sólo con
exones, se conoce como ARN ¨ MADURO ¨.
RIBOZIMAS: son ARN catalíticos
( enzimas ) autoprocesados, a partir de un precursor más largo de
Ribosomas. La mayoría, son intrones. Se encontró primero en un Protozoo
ciliado ( Tetrahymena ) y luego en algunas bacterias y bacteriófagos.
En la mayoría de organismos el
ARN catalítico está unido a proteínas enzimáticas .
Funciones de los Intrones
Se han formulado diversas
hipótesis:
a) Podrían tener funciones
estructurales, al mantener separados los exones. Disminuirían los errores
de lectura o separarían un gen de otro.
La Globina por ej. es una proteína
codificada por tres exones y dos intrones, entre ellos.
b) Sería una reserva del
material evolutivo. Por nuevas combinaciones podría fabricar nuevos
genes. Eso ya se ha comprobado.
c) Facilitarían la
reedisposición de los exones en los cromosomas.
El entrecruzamiento de
exones por intrones, puede rearreglar los elementos genéticos
1 millón a 100 millones de veces, más rápidamente, que si los exones
estuvieran unidos en continuidad.
Para aclarar mejor el problema,
merece ser mencionado, que la mayoría de células procariotas no
poseen intrones. Prácticamente no han evolucionado, desde su aparición
hace 3.000 millones de años. Pero son muchos otros los factores
evolutivos.
El ADN humano posee solamente
un 1,4 % de exones ( genes funcionales ):
¿ Para qué sirve el resto ? (
Leer el capítulo sobre Genoma Humano )
Las zonas del cromosoma, en
donde se está sintetizando ARNm se llama Eucromatina. Las bandas bien
definidas están compactadas e inactivas.
Fabricación de Proteinas
Factores necesarios:
a) ARN mensajero
b) ARN transferidor
c) Ribosomas
d) Aminoácidos ( AA ) ( del alimento )
e) Enzima Aminoacil Sintetasa ( 1 x cada AA ) + ATP
f)
Enzima Peptidil Transferasa
g) Enzima Translocasa + GTP
h)Factores liberadores de las Proteínas sintetizadas
( Proteínas solubles )
i) Enzimas que destruyen en ARN mensajero empleado,
( ARNasa ).
ARN
de transferencia
Es el ¨adaptador¨ ( imaginado por Francis
Crick ) entre Aminoácidos y ARN mensajero.
Encargado de servir de eslabón,
entre la información del ARN mensajero ( un triplete de bases
nitrogenadas por cada AA ) y los AA que deben ser unidos por enlaces peptídicos,
para formar polipéptidos o proteínas.
Se sintetizan en el molde
cromosómico de ADN, por la enzima Polimerasa lll.
Luego de 7 años de trabajos en
levaduras, Robert Holley descubrió que el ARN transferidor, tenía una
fuerte estructura, en forma similar a la de una hoja de trébol y con 73 a
93 nucleótidos.
La fortaleza de ARN
transferidor proviene de que posee alrededor de un 75 % de enlaces Citosina
– Guanina.
Con sus tres enlaces de puentes
de Hidrógeno, son más difíciles de romper, que los A – T con sólo
dos puentes de Hidrógeno.
Además de las bases
nitrogenadas corrientes, el ARNt posee otras no comunes, generalmente
metiladas ( metil guanosina, dimetil guanosina, metil inosina, etc. ).
La metilación ocurre después
de sintetizado el ARNt. Se presume, que la metilación tendría como
objetivo protegerlo de la acción enzimática y/o adaptarlo
tridimensionalmente a la forma de la enzima Aminoacil Sintetasa.
Para cada Aminoácido existe
una enzima diferente, que se adapta por un lado al ARN
transferidor, por otro al AA respectivo. En un 3º sitio, al ARN
mensajero, reconociendo el mensaje. ( Enzima Aminoacil Sintetasa ).
Existen muy pocas diferencias
entre ARN transferidores de diferentes especies.
Son muy semejantes las enzimas
adaptadoras ( aminoacil sintetasas ).
En todos los seres vivos, desde
bacterias al hombre, pasando por vegetales, hongos y todos los animales,
en el extremo superior del ARNt existen siempre las mismas tres bases:
ADENINA
CITOSINA
CITOSINA
Las tres, poseen en la parte
inferior del ARNt el anticodón. Formado por las bs. ns. que se van a unir
temporariamente al triplete complementario
del ARNm ( codón ).
Ribosomas
Son diminutos organelos
citoplasmáticos formados por ARN ribosómico
( fabricado por el molde de ADN
también ) y por Proteínas.
La cantidad de ARN, va desde el
doble al de Proteínas, hasta porcentajes equivalentes.
En las células Procariotas,
los ribosomas están libres en el citoplasma. En Eucariotas,
adheridos a las membranas del retículo citoplasmático.
Su cantidad es muy grande: una
célula bacteriana poseen más de 15.000.
El peso molecular es cercano a
los 3 millones de daltones ( por c.u. ).
El conjunto total de ribosomas,
forman cerca de la cuarta parte de la masa celular, de donde se desprende
su gran importancia. Y el de las Proteínas que fabrica.
Estructura:
Todos
los ribosomas están formados por dos subunidades, una mayor, de casi de
doble de tamaño, que otra menor.
Como lo expresamos, ambas están
compuestas por ARN ribosómico ( ARNr ) y Proteínas.
La velocidad de sedimentación
de la unidad mayor en Procariotas es de 50 Svedberg. En Eucariotas de
60 Svedberg.
La velocidad de sedimentación,
es de 30 S. para la unidad menor en Procariotas. De 40 S. en Eucariotas.
En cada ribosoma, existen 54 Proteínas
Diferentes y cadenas de ARN de más de 7.000 nucleótidos.
¿Surgieron ordenados estructuralmente al azar?
La vida media de cada
ribosoma es de 100 horas. Frente a los 100 días,
de vida media de las células.
Los ribosomas pueden ser
definidos como pequeñas factorías para fabricar proteínas.
TODOS los seres vivos los poseen.
En las células, una vez que
los AA han adquirido sus adaptadores enzimáticos respectivos, difunden
hacia los ribosomas En donde se ordenan según la información del ARN
mensajero. Copiada a su vez del ADN original.
Los ribosomas son organelos
activos. Se mueven a lo largo del ARN
mensajero, a la vez que van uniendo aminoácidos.
La Energía para este
trabajo la obtienen de la GTP ( guanosina trifosfato ), por medio de la
enzima GTPasa degradan el GTP en GMP, fosfatos y energía.
Los ribosomas de cloroplastos y
mitocondrias son similares a las de células procariotas.
Después de interiorizarse en
los procesos de duplicación del ADN, síntesis del ARN mensajero y
fabricación de Proteínas, nos preguntamos nuevamente:
¿Pudo formarse por casualidad la Materia Viva?
¿Sin haber producto final (proteínas por ej.), habría existido una evolución fisiológica
molecular paso a paso?
¿Cómo pasó la información
al ADN para fabricar las proteínas necesarias para su propia duplicación? El ADN se duplica o no. Requiere todas las enzimas.
¿Cómo, en una sola combinación,
de cientos de miles de bases nitrogenadas, se logró el código para
sintetizarlas?
Diferentes pasos en la fabricación de proteinas en los ribosomas
1) La ¨ cola de Adenina ¨,
del ARN mensajero, se inserta en Ribosomas, uniéndose al Uracilo
repetitivo de éstos ( fracción 30S ribosómica ).
Pero, esta operación, no se
efectúa ¨ espontáneamente ¨. Intervienen por lo menos 10 Proteínas y
enzimas, conocidas como Factores de Iniciación.
2) Cada aminoácido que ingresa
a la célula, salvo que sea destinado a otras funciones metabólicas, se
une al ARN de transferencia, por enzimas específicas para cada AA.
3) El primer codón del ARN
mensajero es siempre A-U-G, que se une por puentes de Hidrógeno al
anticodón correspondiente del ARN transferidor:
U-A-C unido al AA Metionina en
Eucariotas o a Formilmetionina en Procariotas, Mitocondrias y
Cloroplastos.
Otra prueba, de que éstos
organelos eran microorganismo procariotas; existen dos ARN para la
incomparación de la formil Metionina. Uno incorpora Metionina y el otro
el grupo Formilo ( H.COOH. ). Este se elimina al final ). El ARNm se une
primero a la unidad ribosómica menor.
La enzima que interviene
en la unión del 1er. AA de la cadena polipéptido, es la Aminoacil
Sintetasa.
Se han identificado por lo
menos 10 proteínas de iniciación de la síntesis proteica.
4) El Ribosoma se desplaza a lo largo del ARN mensajero por la unión
de los restantes AA de la Proteína, con el aporte de energía por el GTP,
por medio de la enzima GTPasa de ribosomas y de otra enzima: la Translocasa.
Además, el ARN mensajero se debe unir a factores proteicos de
alargamiento de las cadenas de AA.
5) Para unir al 2do. AA, se
requiere además otra enzima: la Peptidil Transferasa.
Los otros Aminoácidos, se van
agregando por enlaces peptídicos de la misma forma, corriendo el ribosoma
a través del ARN mensajero.
Promedialmente, existe sólo
1 error por 10.000 AA incorporados.
Terminación
La señal de ¨ PARE ¨, en la síntesis de proteína, esta
indicada en el ARNm, en secuencias ¨ sin sentido ¨ ( no transcriben ningún
AA ):
UAA
UAG
UGA
Estos triples, se unen a proteínas.
Son Factores Liberadores de la proteína fabricada.
Es decir, estos triples ¨ sin
sentido ¨, son ¨ leídos ¨ por proteínas solubles específicas.
Si no existiera este tipo de ¨
STOP ¨, las proteínas fabricadas, seguirán adheridas al ribosoma.
Cada ribosoma, sólo puede
sintetizar 1 proteína por vez.
Pero también, encontramos polirribosomas,
donde el ARN mensajero es copiado simultáneamente por varios ribosomas.
Aumenta la eficiencia en la cadena de montaje.
Los ribosomas, van pasando
simultáneamente, por varios ARN mensajeros.
5) Destrucción enzimática
del mensaje (del ARN mensajero ). Para evitar que se sigan fabricando
proteínas de la misma especie, cuando ya no
se requieren. La vida del ARNm son 10 horas.
Hipótesis del bamboleo de Francis Crick
El ARN transferidor, puede en su codón, formar puentes de Hidrógeno
con varias bases nitrogenadas diferentes del ARNm. De ahí, que un mismo
Aminoácido puede tener hasta tres tripletes diferentes que lo codifiquen.
Las dos primeras bases, son
siempre constantes, en casos de AA que poseen varios tripletes para
identificarlos.
Por ej., el AA Serina puede ser
incorporado por 4 tripletes diferentes en el ARN mensajero:
UCU
UCC
UCA
UCG
Una base nitrogenadas, sólo
presente en el ARN transferidor, la Inosina, puede establecer
puentes de H con varias bases nitrogenadas diferentes ( A, C o U ).
Puede existir también, más de
un ARNt, para un mismo AA. Se calculan en 36 los ARNt.
Existen 16 codones que terminan
en Uracilo.
Si se copia la U por una
Citosina ( ambas pirimidinas ), se especifica siempre el mismo AA.
En la mayoría de los casos, si
se cambia una A por una G ( ambas purinas ), en el 3er. Lugar del codón,
tampoco hay modificaciones de traducción.
Muy estrictos en las dos 1eras.
posiciones, muy flexibles en la 3era.
¿
Primero fue el ARN ¿
1º) En ausencia de Enzimas, es
difícil obtener Ribosa.
A partir del Aldehido Fórmico,
se sintetizan diferentes glúcidos, entre ellos Ribosa, en cantidades
pequeñas. Los otros azúcares, se combinan antes, con bases nitrogenadas.
2º) Han fracasado ensayos
para sintetizar – sin enzimas – combinaciones de RIBOSA con CITOSINA o
URACILO ( bases pirimídicas ).
3º) En cambio, se logran
uniones de RIBOSA con GUANINA y ADENINA, pero sin el grupo fosfato.
4º) Partiendo de nucleótidos
de ARN ( de origen biológico ), se pueden formar con catalizadores inorgánicos,
OLIGONUCLEOTIDOS.
Pero no se pueden autoduplicar
¨ solos ¨. Para ello se requieren proteínas (Prs.) y decenas de
enzimas. Cada una con cientos de AA muy precisamente ordenados
5º) La mayoría de procariotas
no poseen intrones. Las Arqueobacterias los poseen.. Tienen histonas como
eucariotas.
Las ribozimas se emplean para
eliminarlos en Eucariotas.
6º) Usando enzimas
bacterianas, se puede duplicar el ARN o ADN.
Pero, solo si se usa como
materia prima, Nucleótidos Dextrógiros.
Con nucleótidos levógiros y
dextrógiros ( como serían el ¨ caldo orgánico primordial ¨) no hay
replicación.
7º) Espontáneamente, los ácidos
nucleicos tienden a enrrollarse.
Enzimas ( topoisomerasas ) y
Prs. los desenrollan y preparan para la duplicación, gastando energía.
8º) No se han descubierto
enzimas, para ¨ pasar ¨ información de proteínas a los ácidos
nucleicos. ( Suponiendo que Prs. y enzimas se pudieron formar ¨ al azar
¨ ).
9º) La colosal información
para la síntesis de todas la enzimas requeridas para la duplicación del
ADN y formación del ARNm, ARNr y ARNt.
¡ Está en el ADN !
10º) Las Prs. Ribosómicas, sólo
pueden sintetizarse en ribosomas preexistentes.
11º) La ADN polimerasa no
puede fabricar una nueva molécula de ADN a partir de una mezcla de
polinucleótidos ( ATP, GTP, etc. ), si no posee molécula de ADN.
¿Cómo se sintetizó entonces
el 1er. ADN?
12º) A partir del ARN se puede
sintetizar ADN por la enzima ¨ transcriptasa inversa ¨. ¡ Pero, la
información para fabricar esta enzima está en el propio ADN !
La enzima transcriptasa inversa
que tiene el virus delSIDA,ué sintetizada por el ADN de la célula huésped
.Que ya poseía esta información, de los retrotransposones parásitos del
genoma.
¨
El origen de la vida parece casi un milagro, tal es la cantidad de
condiciones que deberían haberse cumplido ¨.
Francis Crack
13º) Para sintetizar Proteínas,
usando ARN ( mensajero, transferidor ) no intervienen ribozimas. Ni
existen indicios que lo realizaran.
Sólo queda la información del
ADN para elaborar Proteínas ¿ cómo llegó esa información a la 1era. Célula
?
EL
PROBLEMA ABIÓGENO DE UNIR
AMINOÁCIDOS
Al referirse a la unión peptídica
( UP ) entre dos AA expresa Mathews:
¨ En realidad, en un entorno acuoso, este proceso no está
favorecido termodinámicamente ¨.
Cuando dos AA se unen, pierden
una molécula de agua. La presencia de la misma lo dificulta.
EL EQUILIBRIO ENTRE LAS DOS
REACCIONES, DE UNIÓN Y SEPARACIÓN DE AA, FAVORECE A ESTA ULTIMA.
La reacción que desune AA, a
temperatura y pH normales, es lenta. Pero muy rápida, en condiciones
extremas y en presencia de catalizadores. ( Recordar el ¨ caldo orgánicos
primitivo, caliente ¨).
Además, dos AA esenciales:
glutamina y aspargina son incapaces de mantener su estructura química en
altas temperaturas.
Se denomina hidrólisis, a la
ruptura del enlace peptídico, con pérdida de una, molécula de agua. Y
este tipo de enlace químico, es la mitad de los posibles, entre dos AA.
En la célula, en los pasos
finales de la síntesis proteica, se requiere una enzima especializada,
para efectuar el enlace peptídico ( la aminoacil Sintetasa ), el ARN
transferidor y aporte de energía en forma de ATP ( trifosfato de
adenosina ).
La síntesis de polipéptidos
en forma artificial, es un complejo proceso, que incluye bloqueadores de
grupos químicos, para facilitar el enlace peptídico.
Para obtener su ATP, las
primeras células tendrían el más sencillo de los caminos metabólicos:
la fermentación anaerobia. Se supone que la primitiva atmósfera,
contendría muy poco oxígeno o carecería del mismo.
Para efectuar la fermentación,
son necesarias varias enzimas, proteínas formadas por AA, cuyo orden de
bs. ns. está codificado en el ADN celular.
¿Cómo habrían aparecido?
¿Y si lo hicieron, como
pasaron la información del orden de bs. ns. al ADN?
Cuando Se habrían agotado las
sustancias orgánicas para fermentar, del supuesto ¨ caldo orgánico
caliente primitivo ¨, tendría que venir la FOTOSÍNTESIS. Para fabricar
nuevas moléculas orgánicas.
A continuación, del oxígeno
liberado en el proceso anterior, habría un aceptor de electrones y
protones, al final de la respiración celular aerobia. Con una producción
muy superior de ATP.
Sólo Aminoácidos Levógiros en Seres Vivos
Lo más sorprendente, es que la
materia viviente, sólo tiene proteínas formadas por AA levógiros, que
desvían la luz polarizada a la izquierda, por la disposición de sus
grupos químicos.
No se puede crear una proteína
con AA levógiros y dextrógiros.
Si los AA se hubieran formado
azarosamente, se obtendría una mezcla racémica, combinación de las dos
clases.
¿ Cómo se habrían
sintetizado proteínas, con AA levógiros, exclusivamente ?
¿ Por qué, no existen seres
vivos, solamente con AA dextrógiros ?
¿ Por qué se eligió a los AA
levógiros ?
Pentosas Dextrógiros
Ribosa del ARN y desoxirribosa
del ADN, desvían la luz polarizada sólo a la derecha.
Cabrían las mismas
interrogantes.
TODOS ESTO NOS HACE REFLEXIONAR
SERIAMENTE. SOBRE LAS REMOTAS O CASI NULAS POSIBILIDADES,
QUE LA MATERIA VIVA SURGIERA POR
CASUALIDADES FORTUITAS DEL MUNDO BIOQUIMICO.
Prof. Edgardo Puentes
epaler@adinet.com.uy
Agradecemos opiniones
favorables o no
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