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7: Módulo 4- Procariotas - Biología

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7: Módulo 4- Procariotas

7: Módulo 4- Procariotas - Biología

Existen muchas diferencias entre las células procariotas y eucariotas. Sin embargo, todas las células tienen cuatro estructuras comunes: la membrana plasmática, que funciona como una barrera para la célula y separa la célula de su entorno, el citoplasma, una sustancia gelatinosa dentro de los ácidos nucleicos de la célula, el material genético de la célula y los ribosomas. , donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Los procariotas tienen varias formas, pero muchos se dividen en tres categorías: cocos (esféricos), bacilos (en forma de varilla) y spirilli (en forma de espiral) (Figura 1).

Figura 1. Los procariotas se dividen en tres categorías básicas según su forma, visualizados aquí mediante microscopía electrónica de barrido: (a) cocos o esféricos (se muestra un par) (b) bacilos, o en forma de varilla y (c) espirilos, o en forma de espiral. (crédito a: modificación del trabajo de Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, crédito c de los CDC: modificación del trabajo del Dr. David Cox, datos de barra de escala de Matt Russell)

Objetivos de aprendizaje

  • Describir la estructura básica de un procariota típico.
  • Describir diferencias importantes en la estructura entre Archaea y Bacteria.

Antony van Leeuwenhoek mejora la microscopía

En los años inmediatamente siguientes, otros científicos se basarían en el trabajo de Hooke, incluido Antony van Leeuwenhoek (1632-1723), un comerciante de telas en Delft, Nederland. Van Leeuwenhoek no era un científico de formación formal, pero era un individuo trabajador y curioso que disfrutaba mucho al observar el mundo que lo rodeaba (Anderson, 2009). Mientras trabajaba en su mercería en la década de 1670, van Leeuwenhoek comenzó a experimentar con el soplado de vidrio y la construcción de microscopios (Figura 2). Usando los diseños descritos por Hooke en Micrografía, van Leeuwenhoek construyó sus propios microscopios a mano, fabricando todos los elementos, desde la lente altamente refinada hasta los tornillos utilizados para sujetar el instrumento (Anderson, 2009).

Figura 2: microscopio simple de van Leeuwenhoek. En la placa de latón hay una pequeña lupa montada y una punta afilada que sostendría la muestra. Girar los tornillos ajustaría la posición y el enfoque.

Durante su vida, van Leeuwenhoek construyó a mano cientos de microscopios y lentes, cada uno único. Fue con estos microscopios y lentes mejorados que comenzó a estudiar el mundo que lo rodeaba y a compartir estas observaciones con instituciones como la Royal Society inglesa. Una de sus primeras observaciones importantes se produjo en agosto de 1674, cuando miró muestras de agua de Berkelse Meer, un lago a dos millas de Delft. En una carta a Henry Oldenburg ese septiembre, y publicada en Transacciones filosóficas de la Royal Society, van Leeuwenhoek señaló:

Recogí un poco [el agua] en una vasija de vidrio que, habiendo visto al día siguiente, encontré moviéndose en ella varias partículas terrestres y algunas rayas verdes, alineadas en espiral,. entre todos ellos se arrastraban abundancia de animalitos algunos de los cuales eran redondeados, los que eran algo más grandes que otros eran de figura ovalada: en estos últimos vi dos patas cerca de la cabeza y dos aletas en el otro extremo del cuerpo ... . El movimiento de la mayoría de ellos en el agua fue tan rápido y tan variado, hacia arriba, hacia abajo y alrededor, que confieso que no pude menos de asombrarme. Juzgo que algunas de estas pequeñas criaturas eran mil veces más pequeñas que las más pequeñas, que he visto hasta ahora.

Lo que van Leeuwenhoek estaba viendo, ahora podemos suponer, eran algunas de las formas de vida más pequeñas: protozoos, rotíferos, ciliados y fitoplancton. Las descripciones de Van Leeuwenhoek se encuentran entre las primeras en identificar las características únicas de estos diferentes organismos microscópicos y fue el comienzo de la disciplina que ahora llamamos microbiología - el estudio de organismos microscópicos.

El trabajo de Antony van Leeuwenhoek condujo al campo de

En los años inmediatamente posteriores al descubrimiento de van Leeuwenhoek de microorganismos en el agua de Berkelse Meer, sus estudios desenterraron algunas distinciones celulares muy importantes. Entre ellos se encontraba el descubrimiento de organismos unicelulares (Figura 3) y estructuras que existen dentro de las paredes de las células vegetales originalmente pensadas y vacías de Hooke (orgánulos grandes llamados vacuolas).

Figura 3: Dibujo de protozoos de Leeuwenhoek.


Las plantas solo tienen respuesta inmune innata para protegerse de los patógenos.

Respuesta hipersensible

Un ejemplo es la respuesta hipersensible que detecta patógenos y mata las células infectadas por apoptosis.

Defensas fisicas como los tricomas protegen a la planta de la depredación de insectos o grandes herbívoros.

Los tricomas son espinas que se encuentran en plantas como el árbol Gympie Gympie de Queensland.

Ortiga australiana o árbol Gympie Gympie, Dendrocnide moroides.

Caída de hojas

La caída de las hojas es otro mecanismo para eliminar el patógeno.

La caída de las hojas se realiza en tres pasos:

  1. Los nutrientes se reabsorben de la hoja.
  2. Se forma una capa protectora de lignina en el lugar del desprendimiento de las hojas.
  3. Las células en el lugar del desprendimiento son digeridas por enzimas para provocar la caída de las hojas.

Productos químicos defensivos

Las plantas pueden producir sustancias químicas defensivas específicas, como la cafeína, que es tóxica para los hongos y los insectos.

Si un patógeno derrota las defensas físicas de la planta y entra en la célula, puede ser detectado por Receptores de reconocimiento de patrones (PRR).

Esto desencadena una respuesta inmune que conduce al engrosamiento de la pared celular para evitar una mayor propagación.

En el siguiente tema veremos cómo las células animales experimentan cambios físicos y químicos en respuesta a los patógenos.


Expresión genética: ADN a proteína

El Dogma Central
Francis Crick acuñó la fase & # 8220 the Central Dogma & # 8221 para describir el flujo de información del ácido nucleico a la proteína. La información codificada en el ADN se transcribe a ARN y el ARN se traduce a una secuencia lineal de aminoácidos en la proteína. Aunque la información puede fluir de forma reversible entre el ADN y el ARN a través de la transcripción y la transcripción inversa, todavía no se ha encontrado ningún mecanismo para que las alteraciones en la secuencia de aminoácidos de las proteínas efectúen de alguna manera un cambio correspondiente en el ARN o el ADN.
Este video ofrece una descripción general muy simplificada del dogma central de la biología molecular:

Y este video proporciona una descripción general animada de la expresión génica en una célula eucariota:

Transcripción: ADN a ARN
La transcripción es el proceso de usar ADN como plantilla para hacer una molécula de ARN:

  • La enzima ARN polimerasa lee el plantilla hebra de ADN y sintetiza una molécula de ARN cuyas bases son complementarias a la hebra molde de ADN.
  • El ARN se sintetiza 5 & # 8242 & # 8211 & gt 3 & # 8242 (en la misma dirección que la síntesis de ADN) La ARN polimerasa lee la hebra molde del ADN 3 & # 8242 & # 8211 & gt 5 & # 8242.
  • La secuencia de bases en el ARN es la misma que la secuencia de bases en el & # 8220codificación& # 8221 hebra de ADN, excepto que el ARN tiene uracilo (U) en lugar de timina (T).
  • Las ARN polimerasas tanto en procariotas como en eucariotas dependen de proteínas de unión al ADN, llamadas factores de transcripción, para unirse a motivos de secuencia especiales en el ADN llamados promotores, para reconocer dónde comienzan los genes.
  • Los factores de transcripción reclutan ARN polimerasa para unirse a la secuencia promotora y comenzar la transcripción justo & # 8220 corriente abajo & # 8221 del promotor.

Este video ofrece una descripción general simplificada de la transcripción. El narrador comete un error a las 3:45 (¡que luego detecta y corrige!) Que sirve como un recordatorio realmente importante de una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN.

Vea una animación molecular más avanzada de la transcripción, con narración, aquí: https://www.dnalc.org/resources/3d/13-transcription-advanced.html

Traducción: ARN a proteína
La traducción es el proceso de usar una molécula de ARNm como plantilla para producir una proteína:
Traducir una secuencia de bases en el ARN a una secuencia de aminoácidos en proteínas requiere 3 componentes principales:

  1. ARN mensajero (ARNm): Los ARNm se transcriben a partir de genes que codifican proteínas. (Hay otros tipos de genes que no codifican proteínas, como los genes que codifican rRNA y tRNA).
  2. Ribosomas:Los ribosomas son grandes conjuntos de moléculas de ARN ribosómico (ARNr) y decenas de proteínas. Cuando no están funcionando, se descomponen en la subunidad pequeña y la subunidad grande, cada una de las cuales consta de un ARNr y numerosas proteínas. Cuando se determinaron las estructuras de los ribosomas procarióticos a alta resolución, los investigadores se sorprendieron al descubrir que el sitio catalítico para la reacción de transferencia de peptidilo (unir nuevos aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento) consiste en enteramente de ARNr. Por lo tanto, el ribosoma es en realidad un inmenso ribozima, o una molécula de ARN catalítica estabilizada por numerosas proteínas, en lugar de una enzima.
  3. transferir ARN (ARNt) que están & # 8220 cargados & # 8221 con sus correspondientes aminoácidos (lo que significa que los ARNt están unidos / transportan sus correspondientes aminoácidos). Los ARNt hacen coincidir el aminoácido con el codón del ARNm. Las bases en el bucle anticodón son complementarias a las bases en un codón de ARNm. El extremo 3 & # 8242 del tRNA tiene un enlace de alta energía al aminoácido apropiado. Las células tienen una familia de enzimas, llamadas aminoacil tRNA sintetasas, que reconocen los diversos tRNA y los "cargan" uniendo el aminoácido correcto.

Estructura secundaria de fenilalanil-tRNA de levadura, de Wikipedia

Estructura terciaria del ARNt, de Wikipedia. El bucle anticodón (en gris) se empareja con el codón del ARNm en orientación antiparalela. El sitio de unión de aminoácidos (amarillo) es el lugar donde el ARNt se une covalentemente a su aminoácido.

La traducción comienza cerca del extremo 5 & # 8242 del ARNm, con la subunidad pequeña ribosómica y un ARNt iniciador especial que lleva el aminoácido metionina. En la mayoría de los casos, la traducción comienza en el triplete AUG más cercano al extremo 5 & # 8242 del ARNm. En eucariotas, la pequeña subunidad del ribosoma típicamente solo & # 8220scans & # 8221 a lo largo del extremo 5 & # 8242 del ARNm hasta que encuentra el primer codón AUG. En los procariotas, normalmente hay una secuencia específica a la que se une el ribosoma, que & # 8220posiciones & # 8221 el ribosoma en el AUG inicial. En cualquier caso, la subunidad ribosómica grande se acopla y comienza la traducción, siempre comenzando con un codón AUG (metionina) tanto en procariotas como en eucariotas. El ribosoma se mueve a lo largo del ARNm 3 bases a la vez, desde la dirección 5 & # 8242 a la 3 & # 8242, y llegan nuevos ARNt cuyos anti-codones son complementarios a los codones del ARNm con sus correspondientes aminoácidos. Se forma un enlace peptídico para unir el aminoácido al extremo carboxilo de la cadena polipeptídica en crecimiento. El ribosoma mueve otras 3 bases y el ARNt vacío se expulsa para dejar espacio para un nuevo ARNt de amino-acilo.

Imagen modificada de & # 8220Translation: Figura 3, & # 8221 de OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).

La cadena polipeptídica producida por el ribosoma también tiene direccionalidad: un extremo tiene un grupo amino libre y el otro extremo de la cadena tiene un grupo carboxilo libre. Estos se llaman N-terminal y el C-terminal, respectivamente. Los nuevos aminoácidos se agregan solo a un extremo carboxilo libre, por lo que las cadenas polipeptídicas crecen desde el extremo N hasta el extremo C.
Este video ofrece una descripción general sólida de la traducción. Es un poco más largo que los videos típicos que usamos en este sitio, pero hace un buen trabajo al desglosar paso a paso lo que sucede durante la traducción:

Vea una animación molecular de traducción mucho más corta aquí:
https://www.dnalc.org/resources/3d/16-translation-advanced.html
El código genético

El código genético universal. AUG (metionina, resaltado en verde) es el codón & # 8220Start & # 8221. Los tres codones etiquetados & # 8220Stop & # 8221 en rojo son & # 8220nonsense & # 8221 codones que señalan la terminación de la traducción. De http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap05/Chapter05.html

Este código genético es utilizado universalmente por todos los organismos vivos, ya sean Archaea, Bacteria o Eukarya, con solo modificaciones menores en las mitocondrias de unas pocas especies. Si hace los cálculos, puede ver que hay 64 codones posibles (4 ^ 3), pero sabemos que solo hay 20 aminoácidos. Por tanto, el código es & # 8220 degenerado & # 8221 porque el mismo aminoácido se puede especificar mediante 2, 3, 4 o 6 codones diferentes. Por ejemplo, la glicina se puede especificar mediante los codones GGU, GGC, GGA y GGG. La metionina es inusual porque está especificada solo por un único codón: AUG. (El triptófano es el único otro aminoácido especificado por un solo codón).
Las mutaciones pueden tener efectos muy diferentes dependiendo de dónde ocurran en un gen o en un codón.
Si consideramos solo los cambios de un solo nucleótido (sustituciones, deleciones o inserciones de bases únicas), estos pueden tener consecuencias muy diferentes según se produzcan en el gen.
A menudo, una sustitución de bases de ADN no tendrá ningún efecto si cambian la tercera base en el codón, debido a la naturaleza degenerada del código genético. Por ejemplo, cambiar GAG a GAA no tiene ningún efecto sobre la proteína porque ambos codones especifican alanina. Tales mutaciones & # 8220silent & # 8221 se denominan & # 8220sinónimo& # 8221 mutaciones.

Otras sustituciones de bases en la primera o segunda posición causarán cambios de aminoácidos, estos son & # 8220no sinónimo& # 8221 mutaciones, y también sin sentido mutaciones.
Incluso entre las mutaciones no sinónimas, el cambio exacto de aminoácidos es importante. Un cambio de un aminoácido hidrófobo a otro aminoácido hidrófobo será menos perjudicial para la estructura de la proteína que un cambio de un aminoácido hidrófobo a un aminoácido polar o cargado. Por último, algunas partes de una proteína son más importantes que otras, como el sitio catalítico de las enzimas o los sitios que se unen a otras proteínas, ADN o moléculas reguladoras.

Algunas mutaciones crean un nuevo codón de parada (UAA, UAG o UGA). Estos se llaman & # 8220disparates& # 8221 mutaciones y provocan que se produzcan polipéptidos truncados.
Las inserciones o deleciones (& # 8220indels & # 8221) de un solo nucleótido provocan un cambio en la lectura de todos los codones cadena abajo que están desplazados por una base. Tales & # 8220cambio de fotogramaLas mutaciones & # 8221 alterarán la mayoría o todos los aminoácidos corriente abajo (hacia el extremo 3 & # 8242 del ARNm, hacia el extremo C-terminal de la proteína) de la mutación.

Diferencias entre procariotas y eucariotas
Mucho de lo que se discutió anteriormente se descubrió originalmente en bacterias, y luego se descubrió que era cierto para las arqueas y eucariotas, así como muchas de las características centrales de la biología molecular se conservan evolutivamente. Sin embargo, existen algunas diferencias clave que se describen a continuación.
Procariotas: la transcripción y la traducción están acopladas
En las células procariotas, los ribosomas comienzan a traducirse incluso cuando el ARNm todavía se está transcribiendo. El ADN, la ARN polimerasa y los ribosomas se encuentran todos en la misma ubicación. Esta transcripción y traducción acopladas puede ocurrir porque los procariotas no tienen núcleo. (En eucariotas, el núcleo separa la maquinaria de transcripción de la maquinaria de traducción).

Eucariotas: la transcripción y la traducción se separan en el espacio y el tiempo, y el pre-ARNm nuclear se procesa para convertirse en ARNm maduro.

En eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo, mientras que la traducción ocurre fuera del núcleo, en el citoplasma por ribosomas citoplasmáticos libres o por ribosomas acoplados al RE.
El ARN transcrito a partir de un gen que codifica una proteína en el núcleo se denomina pre-ARNm. El pre-ARNm tiene que someterse a al menos dos, y generalmente 3, pasos de procesamiento antes de que puedan exportarse al citoplasma como ARNm maduro. Estos son, en orden:

  1. El extremo 5 & # 8242 del pre-mRNA es modificado por la unión covalente de un nucleótido 7-metilG, llamado 5 & # 8242-cap. El casquete 5 & # 8242 es necesario para que los ribosomas eucariotas inicien la traducción.
  2. La mayoría de los genes eucariotas contienen secuencias que en realidad no codifican proteínas. Estas secuencias se denominan intrones (secuencias & # 8220 intervinientes & # 8221) y & # 8220 interrumpen & # 8221 las secuencias codificantes de proteínas, que se denominan exones (& # 8220 secuencias & # 8221 expresadas & # 8221) en el gen. Estas secuencias de intrones que no codifican proteínas se eliminan mediante corte y empalme de ARN, dejando solo los exones que codifican proteínas en el ARNm final.
  3. El extremo 3 del pre-ARNm se modifica mediante la adición de cientos de nucleótidos de adenina, llamados cola poliA. La cola de poliA es importante para la exportación nuclear, la estabilidad del ARNm y la traducción.

Todos estos pasos de procesamiento realmente ocurren tiempo el ARNm está siendo transcrito, es decir, ocurren co-transcripcionalmente. Entonces, en realidad, un & # 8220pre-ARNm & # 8221 de longitud completa nunca existe.

Los pre-mRNA eucariotas se procesan en el núcleo añadiendo una tapa 5 & # 8242, una cola poliA 3 & # 8242 y la eliminación de intrones mediante empalme de RNA para crear un mRNA maduro que consta solo de exones, listo para exportar al citoplasma para su traducción. De http://www.biology.arizona.edu/molecular_bio/problem_sets/mol_genetics_of_eukaryotes/03t.html

Este video ofrece una descripción general rápida y agradable de estas diferencias entre procariotas y eucariotas:

La videoconferencia del Dr. Choi & # 8217 sobre este tema, en un fragmento de 32 minutos:

Pon a prueba tus conocimientos con estas preguntas y problemas de amplificación: B1510_module4-6_DNA_to_protein_questions


Ver el vídeo: Célula eucariota y procariota (Febrero 2023).