Ciencias de la Salud

Ciencias de la Salud

Modulo: Genética y Salud

Guía de apoyo parte 1

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PAR

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Proteínas y material genético

Las proteínas son las macromoléculas de mayor complejidad estructural y funcional. Participan en todos los procesos biológicos que ocurren en un ser vivo. Son moléculas específi cas y marcan la individualidad de cada organismo, expresando la información génica.

Las proteínas participan en todas las funciones necesarias para la vida. Poseen funciones enzimáticas, estructurales, inmunológicas, hormonales y homeostá- ticas, entre muchas otras.

Las proteínas están constituidas por unidades (monómeros) llama- das aminoácidos, cuya estructura química general se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1. Estructura de un aminoácido.

TRANSPORTE

RESERVA ENZIMÁTICA

MOVIMIENTO HOMEOSTÁTICA

HORMONAL ESTRUCTURAL

INMUNOLÓGICA CONCEPTOS CLAVES

• Proteína

• Aminoácidos

• Alteraciones genéticas

Grupo carboxilo Grupo

amino

Átomo de hidrógeno

Grupo de cadena radical

Átomo de carbono α

H

C COOH

H₂N

R

PROTEÍNAS: FUNCIONES

Parte1

En la naturaleza encontramos veinte aminoácidos distintos que conforman las proteínas, los que se muestran a continuación (Figura 1.2):

Una proteína se elabora a partir de una larga cadena de aminoácidos, cada uno ligado a otro por un enlace peptídico (Figura 1.3). De este modo, dos aminoácidos condensados forman un dipéptido.

La adición sucesiva de aminoácidos da lugar a un polipéptido y, fi nalmente, a una proteína.

Cada tipo de proteína tiene una secuencia particular de aminoácidos que le otorga su especifi cidad. Las proteínas son diferentes unas de otras, debido a que cada una tiene una secuencia de aminoácidos diferente. La secuencia es el orden de colocación en fi la de los aminoácidos de una proteína.

Figura 1.2. Los veinte aminoácidos y su estructura química.

Figura 1.3. Formación de un enlace peptídico.

En la fi gura se observa la formación de un enlace peptídico a partir de dos aminoácidos, mediante una reacción de eliminación (de agua).

R ^O

O

O N

N

C C

C C

H H

H H

H

H

R

H

H O

Agua Enlace

peptídico

O O

O O

N C C N C C

H H H H

H H

H H

R R

Aminoácido 1 Aminoácido 2

Dipéptido Lisina (Lys)

Asparagina (Asn) Alanina (Ala)

Metionina (Met)

Valina (Val)

Fenilalanina (Phe)

Leucina (Leu)

Triptófano (Trp)

Isoleucina (Ile)

Glicina (Gly)

Prolina (Pro)

Serina (Ser)

Ácido glutámico

(Glu) Ácido

aspártico (Asp)

Arginina (Arg) Glutamina (Gln)

Histidina (His) Tirosina (Tyr) Treonina (Thr) Cisteína (Cys)

COOH H₃N⁺–C–H

CH₃

COOH H₃N⁺–C–H

CH CH₃ H₃C

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ CH

CH₃ H₃C

COOH H₃N–C–H

CH₂ CH₂

2HC COOH

H₃N⁺–C–H

CH₂ CH₃ H₃C–CH

COOH H₃N⁺–C–H

H

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ OH COOH

H₃N⁺–C–H CH₂ CH₂

S CH₃

COOH H₃N⁺–C–H

CH₃ HC–OH

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂

OH SH

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ CH CH NH

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ NH₂ C O

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ CH₂ CH₂

+NH₃ COOH

H₃N⁺–C–H CH₂ CH₂ OH C O

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ CH₂ CH₂ NH

NH₂ C

2H⁺N

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ C HC HC

NH HN COOH

H₃N⁺–C–H CH₂ OH C O

COOH H₃N⁺–C–H

CH₂ CH₂

NH₂ C O

Marrón aminoácidos hidrófobos Verde aminoácidos polares Fucsia aminoácidos ácidos Turquesa aminoácidos básicos

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Estructura primaria: corresponde a la secuencia de aminoácidos. Posee actividad biológica y determina la estructura tridimensional y sus propiedades.

Estructura secundaria: corresponde a un arreglo estable que da lugar a un patrón recurrente de hélice o de hoja plegada. Ocurre cuando los ami- noácidos de una secuencia interactúan a través de enlaces de hidrógeno.

Estructura terciaria: corresponde a un arreglo tridimensional. Es la forma en que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio.

Estructura cuaternaria: es la disposición espacial de dos o más cadenas polipeptídicas.

La secuencia (orden) de aminoácidos de una proteína determina su forma y función. La clave de esta dependencia se basa en que el orden de los aminoácidos en una proteína determina su estructura tridimensional o conformación, y esta incide en su función.

Figura 1.4. Niveles estructurales de las proteínas.

Las células de nuestro cuerpo se mantienen extremadamente ocupadas, uniendo aminoácidos en un orden apropiado para pro- ducir cantidades variables de las, aproximadamente, 40.000 proteínas diferentes que nece- sitamos cada día.

Si una proteína se deforma o desplaza, deja de funcionar correctamente. En los seres humanos, la acumulación de proteínas mal plegadas está vinculada a una serie de trastor- nos, incluyendo la enfermedad de Parkinson, el cáncer y la diabetes, entre otras.

Evaluación de proceso

De acuerdo a lo aprendido, responde en tu cuaderno:

1. Describe las principales funciones de las proteínas.

2. ¿Cuál es la unidad estructural de los aminoácidos? Explica.

3. Explica cómo se representa el enlace peptídico.

4. ¿Qué permite que las proteínas presenten cuatro niveles estructurales?

Estructura primaria (secuencia de

aminoácidos)

Estructura terciaria (péptido individual

doblado)

Estructura secundaria

(hélice) Estructura

cuaternaria (agregados de dos o más péptidos)

Parte1

La secuencia de aminoácidos determina la forma de las proteínas

Las proteínas más frecuentes tienen entre 100 y 300 aminoácidos, aunque al- gunas cadenas sobrepasan los 800. Hay que hacer notar que cada proteína tiene una secuencia lineal de aminoácidos, claramente establecida, por lo que el tipo de proteína depende del número de aminoácidos que tiene, de la naturaleza de los aminoácidos constituyentes y del orden en que están colocados. (Figuras 1.5 y 1.6).

Figura 1.6. Secuencia de aminoácidos de la insulina humana.

Figura 1.5. Secuencia de la conformación de la proteína hemoglobina.

Estructura

primaria Estructura

secundaria Estructura terciaria

Prolina (Pro) Leucina (Leu) Histidina (His) Glisina (Gly) Alanina (Ala) Lisina (Lys) Valina (Val) Grupo hem

HEMOGLOBINA

HEMOGLOBINA N Terminal

N Terminal

C Terminal

C Terminal Cadena A: 21 aminoácidos

Cadena A: 30 aminoácidos Gln

Gln

Cys Cys Thr Ser Ile Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys Asn

Leu Cys Gly Ser Hls Leu Val Glu Als Leu Tyr Leu Vsl Cys

Thr Lys Pro Thr Tyr Phe Phe Glu

llt Vsl

Hls

Phe Vsl Gln Asn

Gly

Gly Glu Arg

INSULINA HUMANA INSULINA HUMANA

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En los seres humanos es posible identifi car, a través del fenotipo, la expresión de mutaciones que interrumpen vías metabólicas dentro de la célula.

La conexión entre genes mutantes y el mal funcionamiento de vías metabólicas fue reconocida por primera vez en 1903 por Garrod, solo tres años después de que fueran redescubiertos los principios básicos de la herencia, postulados originalmente por Gregor Mendel, en 1866. Ya en ese entonces Garrod concluyó, a partir del análisis de genealogías de familias afectadas, que existía cierta relación entre los “factores” (hoy genes) identificados por Mendel y algunas enfermedades humanas, como la alcaptonuria (trastorno hereditario en el cual la orina se torna de color negro-marrón oscuro con la exposición al aire).

A través de la observación de familias consanguíneas, en las cuales uno o más hijos estaban afectados, a pesar de que ambos padres eran normales, logró inferir que genes alelos mutantes de expresión recesiva eran responsables de un fenotipo alterado. Esto, debido a la falla en una reacción enzimática específica, la cual produce bloqueo metabólico. Garrod llamó a este fenómeno Errores Innatos del Metabolismo.

Existen muchas enfermedades que se producen por fallas en las enzimas, que actúan en distintos pasos del metabolismo. Cada paso metabólico está controlado por una enzima y, a su vez, cada enzima está codificada por un gen. Una alteración en un gen tiene como consecuencia una alteración en la enzima correspondiente y la falla de un paso metabólico determinado.

El albinismo

El albinismo es una de las alteraciones genéticas más conocidas y se debe a una anomalía en la enzima tirosinasa, que cataliza la formación del pigmento melanina en las células de la piel, llamadas melanocitos. Esta enzima, la tirosinasa, actúa en dos pasos metabólicos: en el paso de tirosina a DOPA y en el paso de DOPA a dopaquinina, un precursor de la melanina. La forma más frecuente de albinismo en la especie humana es el albinismo oculocutáneo (AOC), que tiene una herencia autosómica recesiva y la consecuencia es la ausencia del pigmento melanina en la piel, el pelo y los ojos. El albinismo aparece en una gran cantidad de especies distintas. En la serie de imágenes de la Figura 1.7 aparecen algunos casos de albinismo en la especie humana, en felinos, pingüinos y otros organismos.

Figura 1.7. Casos de albinismo.

Parte1

Actividad Bases moleculares del albinismo

En la actividad observaste la relación entre gen, secuencia de aminoácidos y la función de una proteína, que en este caso es una enzima. El gen que contiene la información para la síntesis de proteínas especifica su forma y función. Una mutación en un gen puede determinar una alteración en la forma y función de una proteína, con grandes consecuencias a nivel del fenotipo celular, las que se reflejan en el fenotipo del organismo (en el ejemplo de la actividad anterior: el albinismo).

No cabe duda de que el mensaje del gen debe transferirse al citoplasma, donde se encuentra la maquinaria de síntesis de proteínas. Ciertamente, estamos frente a un proceso altamente complejo, que implica que los genes que se encuentran en el núcleo tienen que, de alguna forma, hacer fluir la información, ya que las proteínas se sintetizan en el citoplasma.

A continuación, en la Figura 1.8, se presenta un modelo para explicar el fenotipo albino de la especie humana.

A partir de la información que te entrega la Figura 1.8, desarrolla las siguientes actividades:

1. Formula el problema que se planteó inicialmente para llegar a este modelo.

2. A partir de la situación problema, plantea una hipótesis.

3. Ahora, esboza un diseño experimental que apunte a contrastar tu hipótesis.

4. El modelo planteado en la Figura 1.8 es lo obtenido del análisis e interpretación de los resultados de un experimento genético y de la contrastación de una o varias hipótesis. Analiza este modelo explicativo y responde:

a) El gen que contiene información para una determinada proteína, ¿qué determina en esta?

b) Si un gen experimenta una mutación, ¿qué ocurre en la proteína?

c) ¿Qué sucederá con el fenotipo de la célula y del organismo?

d) ¿Hay flujo de información desde el gen a las proteínas? ¿Por qué?

e) ¿Qué función tiene la enzima en este caso?

f) ¿Qué provoca la mutación y qué consecuencias tiene?

g) ¿Qué función cumple la melanina?

HABILIDADES

• Formular un problema

• Plantear hipótesis

• Diseñar un experimento

• ^Analizar

Figura 1.8. Alteración genética del albinismo

Fenotipo del melanocito

Fenotipo del melanocito Reacción

tirosina

tirosina Reacción

Enzima Enzima

ALELO NORMAL ALELO MUTADO

Cromosoma 14 Cromosoma 14

Pigmentado

Albino

Alelo normal Alelo mutado

NÚCLEO DE UN MELANOCITO