BIOLOGÍAJM: LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO

 

UNIDAD 20 La expresión del mensaje genético 

1.El dogma central de la biología molecular. 

2.Transcripción. Desarrollo del proceso. Diferencias entre células procariotas y eucariotas. Retrotranscripción 

3. El código genético. 

4. Traducción. Desarrollo del proceso. Diferencias entre células procariotas y eucariotas. 

5. Regulación de la expresión génica. Regulación en procariotas. Regulación en eucariotas. 



1. El dogma central de la biología molecular. Ver

Beadle y Tatum, realizaron una serie de experimentos con Neurospora crassa. Sus estudios les llevaron a afirmar que un solo gen codificaba una sola enzima. Posteriormente se matizó esto pasando a señalar que un gen codifica una proteína. Actualmente de forma más precisa, se enuncia como: Un gen un polipéptido. 

Transcripción Traducción

ADN ---------------> ARN --------------> PROTEÍNA

Ver otra imagen sobre la redefinición del dogma central de la biología molecular


2. Transcripción 

De los tres tipos de ARN que se descubrieron, el candidato para hacer de mensajero entre el ADN nuclear y los ribosomas citoplasmáticos era el que fue llamado ARN mensajero (ARN). 

El ARN es una copia de una secuencia de ADN con una sola cadena de nucleótidos que se sintetiza según el principio de complementariedad de bases entre ADN y ARN: C-G; G-C; A­U; T-A.  Ver requisitos previos

La síntesis de ARN llamada transcripción, es similar a la replicación del ADN; la síntesis tiene lugar en el sentido 5'-3', por lo tanto los ribonucleótidos se van añadiendo uno a uno en el extremo 3' de la cadena en crecimiento, este proceso es catalizado por la enzima ARN polimerasa II. 

En las células eucariotas la transcripción es casi igual a la de las procariotas, comienza con la unión de una enzima especial, la ARN polimerasa II a una secuencia de nucleótidos del ADN llamada el promotor. Los promotores en eucariotas son de dos clases, la llamada caja TATA o caja de Hogness (en honor a su descubridor) y la caja CAAT. La cadena que se transcribe actúa, como molde para la síntesis del ARN. 

Durante y después de la transcripción, los ARN deben sufrir algunos cambios para ser totalmente funcionales. Cuando el ARN tiene unos 20-30 nucleótidos se pega al extremo 5' un nucleótido raro (7-metilguanosina) a modo de caperuza o casquete, el cual es necesario para su unión al ribosoma. 

Después que la transcripción ha terminado y la molécula de ARN se ha desprendido del molde de ADN, enzimas especiales adicionan unos 200 nucleótidos de adenina Llamada cola poli-A. Por último, antes de que abando­ne el núcleo tiene lugar el proceso de maduración, mediante el cual se eliminan los intrones y se empalman los exones, lo cual es promovido por un complejo de proteínas y ARN (son cinco ribonucleoproteínas nucleares pequeñas o snRNP) denomi­nado espliceosoma. Ver maduración ARN



Diferencias entre porcariotas y eucariotas 

Procariotas

- Existe una única ARN-polimerasa, con dos subúnidades: alfa y beta

- La trascripción es necesaria para formar los tres tipos de ARN, sin embargo los transcritos que originarán el ARBt y ARNr, necesitarán de un proceso de maduración (Recortes y uniones, hasta obtener los ARN definitivos y funcionales), mientras que el del ARNm no necesita de un proceso de maduración.

Eucariotas

- El proceso es de transcipción es más complejo que en porcariotas, ya que intervienen diversos factores proteicos

- Existen tres tipos ARN-polimerasa:

ARN-polimerasa I. Transcribe la información correspondiente a los ARNr, excepto el ARN 5S.

ARN-polimerasa II, Transcribe la información correspondiente a los ARNm.

ARN-polimerasa III, Transcribe la información correspondiente a los ARNt y el ARNr 5S.

- También se produce la trascripción de los genes presentes en mitocondrias y cloroplastos.

- En todos los casos es necesario un proceso de maduración. Puesto que los genes constan de intrones y exones, que se trascriben. Por ello el ARN trascrito primario debe cortar los intrones para su eliminación, y unir los exones. Ademas se le añade una caperuza, en el extremo 5, constituido por la 7-metilguanosina trifosfato, que permite identificar este proceso durante la traducción. También se le añade en el extremo 3, unos 200 ribonuleótidos de adenina (cola poli A).

- Existe una serie de factores basales para identificar las regiones promotoras, en lugar del factor delta.



Retrotranscripción o transcripción inversa 

El dogma central de la biología considera que el flujo de información genéti­ca discurre desde el ADN hasta el ARN y desde éste hasta las proteínas, con un bucle ADN-ADN correspondiente a la replicación o autoduplicación. Se creía que este esquema era inviolable, pero en la actualidad se han tenido que añadir dos nuevas rutas, una correspondiente a la transcripción inversa y la otra a la autorreplicación del ARN. 

Se descubrió que todos los virus con ARN que producen tumores como el virus del SIDA, pueden producir ADN polimerasa dependiente de ARN, esta enzima se conoce con el nombre de transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, y es capaz de sintetizar una cadena de ADN complementaria del ARN vírico. Esta enzima es importante porque está implicada en el proceso de infección de una bucle de autorreplicación célula por un virus tumorígeno y la transformación de la célula infectada en célula cancerosa. 

Otra modificación al dogma central lo constituyó el descubrimiento de la autorreplicación o autoduplicación del ARN, según la cual un ARN puede actuar de molde y sintetizar otra molécula identica a él. Este proceso fue observado en un pequeño número de virus bacteriófagos (abreviadamente fagos). Estos fagos de ARN son los fagos más simples que se conocen; uno de ellos, el MS2 sólo dispone de información genética para tres proteínas; la proteína de la cubierta, una proteína de anclaje necesaria para adherirse a la célula que infecta y la tercera para una parte de la enzima ARN replicasa responsable de la autoduplicación de su ARN. 

3. El código genético  Ver 

Cuando se descubrió el ARN, faltaba comprender cómo la información transcrita en dicha molécula pasaba a configurar proteínas, determinantes de la estructura la estructura y funcionamiento celular y corporal, es decir, como la información de una secuencia de bases nitrogenadas se traduce en una secuencia de aminoácidos. 

Como se conocen 20 aminoácidos diferentes formadores de proteínas se dedujo que tenían que ser tres nucleótidos los que codificaran un aminoácido, puesto que así existirían 64 tripletes (tríos de nucleótidos), más que sufi­cientes para traducir la información del ARN a las proteínas. El código del triplete fue adoptado como hipótesis de trabajo y se emprendió el camino del desciframiento de este código genético o clave genética.

El código genético viene a ser como un diccionario que trata de establecer una equivalencia entre el lenguaje del ARN, escrito con cuatro bases nitrogena­das o nucleótidos, y el lenguaje de las proteínas, escrito con veinte aminoácidos distintos. La equivalencia se establece entre tres nucleótidos o triplete del ARN, al que se denomina codon, y un único aminoácido. El triplete complementario en el ADN, y del cual deriva el codon, se llama codógeno. Existe además otro triplete, complementario del codon pero en una zona específica del ARNt, que recibe el nombre de anticodon, el cual se une al codon mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. 

Como resultado de distintos experimentos se pudo constatar que el codon UUU corresponde a la fenilalanina y se pudiron averiguar los restantes codones para todos los aminoácidos. Así de 64 tripletes, 61 codifican ami­noácidos y 3 de ellos no tienen sentido para codificar aminoácidos, siendo Tripletes de terminación de mensaje. Al haber muchos más tripletes que aminoácidos se ha dicho que el código genético esta degenerado, pero la realidad es que supone una ventaja, puesto que un cambio de un nucleótido, en muchas ocasiones, puede no alterar el orden de los aminoácidos en una proteína. 

Después de estudiar muchos organismos se ha concluido que este código es universal, es decir, el mismo código es empleado por todas las células de todos los organismos vivos e incluso virus. Sólo se han encontrado hasta la fecha algunas pequeñas excepciones.
Ver características del código genético






4. Traducción o síntesis de proteínas. Desarrollo del proceso  Ver

Los principos básicos de la síntesis de proteínas son los mismos tanto en célu­las procariotas como en eucariotas, con algunas diferencias de detalle. 

El mecanismo que se describe corresponde a lo que acontece en procariotas, en los cuales ha sido mejor estudiado. 

Se suelen diferenciar en dicho proceso una serie de etapas o fases: 

a) Fase de activación del ARNt Ver 

Las moléculas de ARNt son, en realidad, la herramienta que aplica el códi­go genético (usando un símil, sería el traductor de un mensaje del caste­llano al chino usando un diccionario de castellano-chino). 

Cada molécula de ARNt (con forma de hoja de trébol, de manera simpli­ficada. y con 75-85 nucleótidos) tiene dos sitios de unión. Uno denominado anticodon, consistente en un triplete de nucleótidos ubicado en una de las asas, el cual es complementario de un codon del ARN con el que se acopla; el otro, es el extremo 3' de la molécula que siempre termina en el triplete 5'-CCA-3', al cual se une el aminoácido que corresponda. según el anticodón y siguiendo las normas del código genético. 

La reacción enzimática que une un aminoácido a su ARNt específico es catalizada por la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, existiendo diferen­tes enzimas para cada tipo de unión del par aminoácido-ARNt. Para poderse llevar a efecto se requiere un gasto energético que suministra una molécula de ATP que se rompe en dos grupos fosfato y AMP. 

b) Fase de iniciación de la síntesis Ver 

La síntesis de proteínas comienza cuando la subunidad más pequeña del ribosoma se une a una molécula de ARN cerca de su extremo 5', expo­niendo su primer codon, que es el AUG (señal de iniciación). A conti­nuación, el primer ARNt-aminoacil se acopla con el codon iniciador según la complementariedad codon-anticodon, por lo que el anticodon del ARNt será el UAC, y dicho ARNt llevará en su extremo 3' el aminoácido metionina (Met) según el código genético, el cual se presenta como N-formil­metionina (fMet) y será el primer aminoácido de la cadena polipeptídica que se forme. 

El conjunto formado por la subunidad pequeña del ribosona, el ARN y el ARNt se llama complejo de iniciación. Una vez formado, se une a él la subunidad mayor del ribosoma, quedando el ARNt inicial en el llamado sitio P o peptidil. 

c) Fase de elongación o alargamiento Ver 

Esta fase se inicia cuando el segundo codon del ARN se coloca en el sitio A o aminoacil del ribosoma, y se une a él el segundo ARNt con su ami­noácido específico. Cuando tanto el sitio A como el P están ocupados, una enzima llamada peptidil transferasa crea un enlace peptídico entre los dos aminoácidos, acoplando el primer aminoácido (fMet) al segundo. Con ello, el primer ARNt se libera del ARN. Ahora, el ribosoma tiene que realizar lo que se ha dado en llamar una translocación o cambio de lugar (en sentido 5'-3'), es decir, se ha de desplazar hasta el siguiente codon de la cadena del ARN, con lo que el dipéptido formado pasa del sitio A al sito P, dejando libre el sitio A para que se pueda acoplar un tercer ARNt. El ARNt-aminoacil tercero se une al codon correspondiente y vuelve a for­marse otro enlace peptídico formándose ya un tripéptido. Este proceso se repite una y otra vez hasta sintetizar toda la cadena polipeptídica. 

   



d) Fase de terminación Ver

En el final de la secuencia de tripletes del ARN hay un codon o más que sirve como señal de finalización de mensaje. Se conocen tres códones de terminación o stop que se denominan también con tres colores: UAG (ámbar), UAA (ocre) y UGA (opal). Como no existen ARNt con anticodones que se acoplen a ellos no entrará ningún ARNt en el sitio A del ribosoma y se finalizará la traducción, la cadena polipeptídica se despren­de, las dos subunidades del ribosoma se separan y el ARN se destruye, con lo que su tiempo de existencia es pequeño. 

En realidad, grupos de ribosomas van "leyendo" una y otra vez la cade­na de ARN, formando asociaciones llamadas polirribosomas o poliso­mas, con lo que se sintetizan numerosas moléculas polipeptídicas de for­ma simultánea. Las cadenas polipeptídicas van adquiriendo su estructu­ra secundaria y posteriromente terciaria a medida que van saliendo del ribosoma. 





5. La regulación de la expresión  Ver modelo operon 

En el curso de la evolución los organismos han desarollado mecanismos que sirvan para utilizar con el máximo rendimiento posible los nutrientes desti­nados al funcionamiento celular. 

Una razón de la supervivencia de los organismos es su alta eficiencia en los procesos sintéticos. No hacen todas las proteínas posibles al mismo tiempo, sino sólo cuando se necesitan y en las cantidades precisas.


La regulación de la expresión génica es más compleja en eucariotas que en procariotas y, por ello, es peor conocida. En este apartado se analiza la regulación de procariotas, conocida por las investigaciones hechas en Escherichia coli. 

Aunque la regulación de la síntesis proteica teóricamente podría ocurrir en muchos puntos del proceso biosintético, en los procariotas tiene lugar prin­cipalmente en la transcripción. La regulación implica interacciones entre el ambiente químico de la célula y proteínas reguladoras especiales, codifica­das por genes reguladores. Estas proteínas pueden funcionar como con­troles negativos, reprimiendo la transcripción del ARN (sistema reprimible), o como controles positivos, intensificando la transcripción (sistema inducible). 

Así por ejemplo, si una célula encuentra gran abundancia del aminoácido trippófano en el medio o si está produciendo más triptófano del necesario, la célula detiene la producción de triptófano hasta que vuelva a surgir la necesidad; por tanto, se trata de un sistema reprimible, que es un sistema o conjunto de enzimas en el que la síntesis de enzimas se reprime y se impide la formación del producto final en cuanto deja de ser necesario. Así, en este caso, la síntesis de proteínas es reprimida por un exceso de producto final de una ruta metabólica sintética (anabólica). 

Sin embargo, otros metabolitos, como por ejemplo la lactosa, que la célula degrada para obtener energía (ruta catabólica), pueden no estar siempre presentes en la célula. Por tanto, las enzimas para la degradación de esa fuente nutritiva se formarán cuando esté presente en el ambiente celular; se trata pues de un sistema inducible Los enzimas inducibles se sintetizan cuando el ambiente suministra el sustrato para ser degradado (catabolizado). 

Sistema inducible: el modelo del operón lactosa (lac). 

A partir de mutantes bacterianos, Jacob y Monod propusieron un modelo de regulación de la transcripción. Según este modelo los grupos de genes que codifican para proteínas funcionales se disponen en unidades conocidas como operones. Un operón comprende una serie de regiones en el ADN; el gen promotor, los genes estructurales y el gen operador. El promotor es una secuencia de nucleótidos a la que se une la enzima ARN polimerasa, los genes estructurales son los que contienen la información para la síntesis de proteínas y el operador es una secuencia de nucleótidos (genes que codifican para proteína) situada entre el promotor y los genes estruc­turales a la que se puede unir una molécula represora. 

No obstante, la transcripción de los genes estructurales depende de la actividad de otro gen, el regulador, que puede estar localizado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano. Este gen codifica una proteína llamado represor, que se une al operador reprimiéndolo. es decir, obstruye la región del promotor al ser vecino de éste, y en consecuencia la ARN polimerasa no puede unirse al ADN y no transcribe. 

Sin embargo, cuando se remueve el represor de la zona del operador, deja de estar bloqueado el promotor y se puede iniciar la transcipción. 

Ahora bien, la capacidad del represor para unirse al operador, y así bloquear la transcripción y como consecuencia la síntesis de proteínas, depende a su vez de otra molécula, el efector o inductor que puede inactivar al represor para ese operón en particular. 

El primer operón descubierto fue el de la lac­tosa (operón lac). La lactosa o azúcar de la leche es un disacárido que Escherichia coli puede usar como fuente de energía y de car­bono después de degradarlo a glucosa y galactosa. En el proceso catabólico intervienen tres enzimas: Beta-galactosidasa (desdobla la lactosa en glucosa y galactosa), una permeasa (con­centra lactosa en el interior de la célula) y una acetiltransferasa (acetila otros galactósidos que no sean lactosa para que no sean catabolizados); estas tres enzimas están codificadas por tres genes estructurales 

Cuando no hay lactosa en el medio el sistema permanece reprimido por la molécula represora, pero si existe lactosa, esta molécula se transforma, nada más entrar en la célula, en un derivado llamado alolactosa que funciona como un inductor uniéndose al represor, modificando su estructura y provocando con ello su retirada del operador, así deja paso libre a la ARN polimerasa y puede realizarse la transcripción de los genes estructurales.



Sistema reprimible: el modelo del operón triptófano (trp) 

La activación de los operones inducibles se produce cuando el sustrato que ha de ser catabolizado entra en la célula. Los operones anabólicos funcionan a la inversa. Se desconectan o reprimen cuando su producto final se acumula en exceso respecto de las necesidades de la célula. 

Uno de los mecanismos reprimibles mejor estudiados es el operón del triptófano (trp). El operón trp contiene los cinco genes estructurales que codifican las enzimas que sintetizan el trp, aminoácido triptófano a partir del ácido corísmico. Además tiene una secuencia de promotor-operador, así como su propio gen regulador. 

En este sistema, el represor, producto del gen represor, es inactivo por sí mismo; no reconoce la secuencia del operador. El represor sólo es activo cuando se une al triptófano. Por tanto cuando hay un exceso de triptófano, habrá suficiente cantidad para unirse al represor y activarlo (por este motivo se le llama, también correpresor) con lo que no se pro­duce la transcripción. 

Después que la célula haya usado el triptófano disponible, las moléculas unidas al repre­sor se separan de él y abandonará el opera­dor, que ya no quedará bloqueado y se podrá iniciar el proceso de la transcripción, se dice en este caso que el operón está desreprimido. La transcripción se efectuará, se for­marán las enzimas correspondientes y aumentará de nuevo la cantidad de triptófano, parte de él se unirá al represor y formará un complejo funcional que reprimirá de nuevo al operón.

 

Ver estructura de un gen en eucariotas.