BIOLOGÍA DEL ADN (GENÉTICA MOLECULAR)

Biología de 2º Bachillerato
Biología del ADN
BIOLOGÍA DEL ADN (GENÉTICA MOLECULAR)
9. EL ADN COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
La moderna ciencia de la Genética se originó cuando Gregor Mendel descubrió que las
características hereditarias estaban determinadas por unidades hereditarias que se transmitían de una generación
a la siguiente de manera uniforme y predecible. Se inició en este momento (finales s.XIX) una carrera científica
cuyo objeto primordial era solucionar dos problemas, en principio muy distintos, pero, como se vio más tarde,
muy relacionados entre sí.
El primer problema fue el de identificar exactamente el material genético, su localización y su
naturaleza química. El desarrollo de esta línea de investigación ha dado lugar a una rama de la Genética
denominada Genética Molecular.
El segundo problema consistía en descubrir el modo en que se transmiten y se heredan de
generación en generación las manifestaciones de ese material hereditario, es decir, los caracteres biológicos. Se
creó así otra rama de la Genética llamada en honor de Mendel Genética Mendeliana.
En cuanto al primer problema, un paso previo a iniciar la búsqueda e identificación del material
genético consiste en establecer los requisitos que debe cumplir. Se establecen 4 requisitos generales que se
espera que cumpla el material genético:
1.- Que se replique exactamente antes de la duplicación celular.
2.- Que su estructura sea lo suficientemente estable para que los cambios hereditarios (mutaciones)
sólo se produzcan raramente.
3.- Que pueda llevar cualquier tipo de información biológica necesaria.
4.- Que transmita la información a la célula.
Por otra parte, eran ya conocidos los acontecimientos que ocurrían en las células durante la mitosis
y la meiosis. Los protagonistas de ambos procesos son, sin duda alguna, los cromosomas y la atención de los
científicos se dirigió hacia ellos por las siguientes razones:
1.- Se duplican con precisión y se dividen con exactitud en la mitosis proporcionando a cada célula
un juego completo de cromosomas.
2.- Su comportamiento durante la meiosis concuerda con lo que se debe esperar de la herencia, que
se debe a las contribuciones de ambos progenitores.
3.- El entrecruzamiento que sufren durante la meiosis suministra una fuente importante para la
variabilidad que se observa entre los individuos de una misma especie.
4.- Además existen pruebas considerables de que las aberraciones cromosómicas pueden estar
asociadas a la herencia de características específicas.
Parecía evidente, por tanto, que el material genético había que buscarlo en los cromosomas. A
finales del s.XIX se consiguió aislar el compuesto que forma los cromosomas y resultó ser una sustancia
desconocida hasta entonces que se llamó ADN. Las investigaciones sobre la estructura del ADN llegaron a su
culminación en 1953 con la publicación del modelo de doble hélice de Watson y Crick. Con todos los datos que
se tenían, el ADN parecía cumplir totalmente los requisitos para ser el material hereditario, sólo faltaba
conseguir una prueba concluyente que identificara definitivamente el ADN con el material genético. Esta
evidencia se tuvo a partir de las investigaciones de Avery, McLeod y McCarty sobre transformación bacteriana,
al demostrar que estractos de ADN de un determinado tipo de bacterias patógenas, cuando se añadía a otro tipo
de bacterias genéticamente distintas e inofensivas, provocaba su transformación, es decir, las bacterias que
captaban los estractos de ADN adquirían características genéticas de las bacterias donantes y se volvían
patógenas.
Otra prueba de que el ADN es el material genético se obtuvo a raíz de los experimentos de
Hershey y Chase con virus bacteriófagos y la bacteria Escherichia coli. Marcaron con isótopos radiactivos los
componentes del virus, las proteínas con 35S y el ADN con 32P. Después de la infección observaron que en el
interior de la bacteria sólo aparecía fósforo marcado, pero no azufre, lo que demostraba que el material genético
del virus era el ADN, mientras que las proteínas de la cápside carecían de información genética y ni siquiera
penetraban en la bacteria.
En el momento en que se identificó el material genético, era preciso definir las "unidades
hereditarias" de las que habló Mendel desconociendo su naturaleza. Actualmente se denominan genes y se
pueden definir como segmentos de ADN que contienen la información necesaria para, mediante transcripción y
traducción, sintetizar una proteína. Son las unidades estructurales y funcionales de la herencia, transmitidas de
padres a hijos a través de los gametos y regulan la manifestación de los caracteres heredables. Se dice que un gen
se expresa cuando se descodifica, es decir, cuando se transcribe y se traduce y origina la proteína que codifica.
Los genes de los procariotas son unidades continuas, o sea, que un segmento de ADN contiene toda la
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información necesaria para la síntesis de una proteína; sin embargo, los genes de los organismos eucariotas se
encuentran fragmentados: cada gen consta de una serie de secuencias que codifican fragmentos de la proteína
(exones) separadas por otras secuencias, más o menos largas, que no codifican ninguna cadena peptídica
(intrones). Se calcula que casi el 90% del total de ADN no codifica secuencia proteica alguna y formarían lo
que algunos autores llaman "chatarra genética". Además, tanto en procariotas como en eucariotas, existen
secuencias que no se transcriben, pero que desempeñan un papel fundamental en la regulación de la expresión
génica, pues constituyen señales que indican el inicio o el final del gen que se va a transcribir.
10. REPLICACIÓN DEL ADN
La necesidad de que el material genético se autoduplique exactamente es la primera exigencia que
debe cumplir. Ya en el modelo de Watson y Crick se planteaba la posibilidad de que las hebras de la doble hélice
se separaran y cada una sirviera de matriz para formar la cadena complementaria. Este proceso recibió el nombre
de replicación. Tal y como se había descrito hasta ese momento debía ser semiconservativo, es decir, cada doble
hélice de ADN resultante sólo llevaba una de las dos hebras del ADN original, mientras que la complementaria
era de nueva formación. Esto se demostró concluyentemente con los experimentos de Meselson y Stahl:
cultivaron bacterias E.coli en un medio que contenía como única fuente de nitrógeno cloruro amónico marcado
con 15N hasta que llegó un momento en que el ADN sólo presentaba en sus bases nitrogenadas 15N.
Posteriormente cambiaron el medio de cultivo por otro con 14N normal. Las bacterias de la primera generación
presentaban en su ADN 14N y 15N en igual cantidad.
El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas,
pero es en los primeros donde más se conocen los detalles; en concreto la más estudiada es la replicación en
E.coli.
Es un proceso complejo en el que intervienen más de 50 proteínas distintas agrupadas en
complejos multienzimáticos. El enzima principal se denomina ADN-polimerasa y para que actúe es necesario
que existan en el medio iones Mg2+ y una mezcla de 4 desoxirribonucleótidos-trifosfato (dATP, dGTP, dCTP y
dTTP). Es suficiente con que falte uno de los cuatro para que no actúe la ADN-polimerasa. Básicamente este
enzima realiza dos funciones:
1.- Recorre las hebras del molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido-trifosfato
que tenga la base complementaria (G-C, A-T). Una vez localizado, la ADN-polimerasa cataliza su hidrólisis
separando un grupo pirofosfato (P-P) y uniendo el resto (desoxirribonucleótido-monofosfato) a la cadena de
ADN que se está formando mediante un enlace fosfodiéster. La energía necesaria para esta unión se obtiene de la
hidrólisis del grupo pirofosfato. Ésta es la función polimerizadora de la ADN-polimerasa.
2.- La ADN-polimerasa es también autocorrectora ya que después de unir cada nucleótido
comprueba si se han producido errores antes de incorporar el nucleótido siguiente. Si detecta un error, elimina el
último nucleótido colocado y lo sustituye por el correcto.
Sin embargo la ADN-polimerasa debe resolver dos problemas relacionados con su actividad
catalítica:
1.- La ADN-polimerasa es capaz de ir leyendo las hebras que actúan de molde en sentido 3'--5' y
va sintetizando la nueva cadena en sentido 5'--3'. Esta última hebra recibe el nombre de hebra conductora. Sin
embargo, la hebra molde complementaria discurre en sentido antiparalelo, es decir, 5'--3' y la ADN-polimerasa
es incapaz de leerla en ese sentido. Para solucionar este problema, la ADN-polimerasa sintetiza pequeños
fragmentos de ADN llamados fragmentos de Okazaki que crecen en sentido 5'--3' igual que la hebra
conductora y más tarde se unen para formar la hebra completa, que en este caso se llama hebra retardada
porque se sintetiza más lentamente.
2.- Otro problema que plantea la actividad catalítica de la ADN-polimerasa es que es incapaz de
iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN y necesita un corto fragmento de ARN, llamado
ARN-cebador, que actúe como iniciador de las réplicas y que se elimina posteriormente del ADN formado.
En resumen, el proceso completo de la replicación del ADN en E.coli es el siguiente:
El paso previo para que pueda actuar la ADN-polimerasa es el desenrrollamiento y apertura de la
doble hélice de ADN. La separación de las cadenas comienza en puntos concretos llamados puntos de iniciación.
A partir de ellos se van separando las dos hebras de ADN formando la llamada burbuja de replicación. Los dos
extremos de la burbuja por donde continua la separación reciben el nombre de horquillas de replicación.
La síntesis de las cadenas complementarias comienza con la síntesis del ARN cebador que es una
corta cadena de ARN con una secuencia complementaria de una de las porciones de las hebras del ADN y frente
a la cual se coloca. En la hebra que tiene el sentido 3'--5' la ADN-polimerasa va colocando nucleótido tras
nucleótido a continuación del ARN cebador. Esta hebra complementaria que va creciendo en sentido 5'--3' es la
hebra conductora. En la hebra opuesta del ADN original no se puede realizar el mismo proceso porque discurre
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en sentido 5'--3'. Por tanto, a continuación del ARN cebador se coloca un fragmento de Okazaki y, después de
éste, un nuevo ARN cebador seguido de otro fragmento de Okazaki.
En este momento actúa una ribonucleasa que elimina el ARN cebador que está entre dos
fragmentos de Okazaki. El hueco que queda es rellenado por la ADN-polimerasa. El proceso continuaría con la
colocación de un nuevo ARN cebador, otro fragmento de Okazaki, eliminación del ARN cebador y llenado del
hueco por la ADN-polimerasa. Y así sucesivamente. La hebra que se sintetiza de esta manera es la retardada y
crece en sentido 3'--5'.
La replicación llevada a cabo por la ADN-polimerasa es un proceso muy exacto, sobre todo por su
actividad autocorrectora. Sin embargo, aún así se produce un error de apareamiento de bases por cada 10 7 pares
de bases. En una bacteria esto podría resultar suficiente debido a que su cromosoma sólo posee 3·10 3 pares de
bases. Sin embargo en el ADN humano existen 3·10 9 pares de bases y durante el desarrollo embrionario, a partir
del zigoto el ADN humano se duplica 1015 veces, por lo que la información genética pronto se perdería.
Para aumentar más todavía la perfección de la replicación del ADN existe un complejo enzimático
que detecta el nucleótido mal emparejado, lo elimina y regenera la secuencia correcta. De este modo se logra
alcanzar una perfección de un error cada 1010 pares de bases. Este proceso se conoce con el nombre de
corrección postreplicativa.
11. TRANSCRIPCIÓN
Otra de las exigencias que debe cumplir el material genético es que sea capaz de transmitir la
información que contiene al resto de la célula. Como el material genético es ADN y éste se encuentra en los
cromosomas, dentro del núcleo, debe existir una molécula que transporte esta información desde el núcleo hasta
el citoplasma atravesando la envoltura nuclear. Esta molécula es el ARNm. Además, a partir del ADN también
deben sintetizarse los restantes tipos de ARN. El proceso de síntesis de ARN a partir del ADN se denomina
transcripción genética. El enzima encargado de llevar a cabo este proceso la ARN-polimerasa que cataliza la
unión de los ribonucleótidos-trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP) según una secuencia determinada; para ello
utiliza como molde o patrón una de las dos cadenas del segmento de ADN (un gen) que se va a transcribir. La
secuencia de ARN transcrito es complementaria de una de las dos cadenas del gen salvo por el hecho de que la
base complementaria de la A es el U. La energía necesaria para la unión de los ribonucleótidos se obtiene de la
hidrólisis de los ribonucleótidos-trifosfato que liberan un grupo pirofosfato. Es, por tanto, semejante a lo que
ocurre en la duplicación del ADN.
La transcripción varía en algunos detalles en los organismos procariotas y eucariotas.
11.1.- TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: Sólo existe un tipo de ARN-polimerasa que
cataliza la síntesis de todos los ARN. En el caso del ARNm, su síntesis transcurre en 4
etapas:
- Iniciación: En todos los genes hay una secuencia característica
denominada promotor que indica dónde debe empezar la síntesis del ARNm y cuál
de las dos hebras del ADN debe ser transcrita.
- Elongación: Después de unirse al promotor, la ARN-polimerasa se
acopla a una de las cadenas del ADN y desenrolla aproximadamente una vuelta de
hélice, con lo que queda al descubierto la hebra de ADN que actuar como patrón. El
enzima se desplaza por la hebra patrón de ADN en sentido 3'--5', mientras que la
cadena de ARNm se va formando en sentido 5'--3' conforme se añaden nucleótidos. A medida que el enzima se
desplaza, el ADN recupera su configuración inicial de doble hélice.
- Terminación: La ARN-polimerasa sigue añadiendo ribonucleótidos
hasta que se encuentra con la señal de terminación, lo que marca el final de la
síntesis del ARN, cuya cadena recién formada se libera en forma de una sola hebra,
aunque en algunos casos, cuando presenta secuencias autocomplementarias, adopta
estructura secundaria.
- Maduración: En los procariotas los genes son continuos, no tienen
intrones, por lo que las moléculas de ARNm no necesitan ningún tipo de
transformación previa a la traducción por los ribosomas. Sin embargo, los ARNt y
ARNr no se sintetizan como tales, sino que provienen de moléculas de ARN, llamado
ARN transcrito primario, que precisan un proceso de maduración.
11.2.- TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS: Presenta dos diferencias
fundamentales respecto a la de procariotas: (1) los genes están fragmentados, poseen
intrones y exones, por lo que todos los ARN necesitan un proceso de maduración a
partir del ARN transcrito primario, y (2) existen tres clases de ARN-polimerasa
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diferentes, cada una de las cuales cataliza la síntesis de un ARN distinto. La que sintetiza el ARNm es la
ARN-polimerasa II. La síntesis de ARNm en eucariotas transcurre también en 4 fases:
- Iniciación: El promotor está formado por una secuencia de T y A, llamada TATA box, que es
reconocida por la ARN-polimerasa II.
- Elongación: La diferencia con los procariotas es que, cuando se han transcrito unas 30 bases del
gen, al ARNm se le añade en el extremo 5' una caperuza formada por una guanosín-trifosfato metilada (metilGTP). Mientras tanto, la cadena de ARNm continua creciendo (en sentido 5'--3') a unos 30 nucleótidos por
segundo, transcribiéndose tanto los exones como los intrones.
- Terminación: Cuando la ARN-polimerasa II transcribe la secuencia de finalización, la
transcripción termina y actúa otro enzima que añade en el extremo 3' del ARNm una cola de poli-A formada por
unos 150-200 ribonucleótidos de A.
- Maduración: Los ARNm transcritos primarios contienen secuencias intercaladas (las que
corresponden a los intrones) que no codifican ningún péptido, por lo que deben ser eliminadas. Esto se realiza
mediante cortes entre los intrones y los exones: los primeros se enrollan en lazos y se eliminan, mientras que los
segundos se empalman y forman una molécula de ARNm que contiene los nucleótidos necesarios para sintetizar
la proteína.
12. EL CÓDIGO GENÉTICO
El moderno concepto de información genética establece que un gen es un fragmento de ADN que
contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Dado que la información genética está
contenida en secuencias de bases nitrogenadas, es preciso transformar esta información en cadenas de
aminoácidos para formar las proteínas.
Los ácidos nucleicos están formados por 4 clases de nucleótidos mientras que las proteínas están
formadas por 20 aminoácidos. Es necesario establecer una correlación entre las bases y los aminoácidos para
averiguar de qué modo la información contenida en el ADN es capaz de ordenar la síntesis de una determinada
proteína.
Si a cada aminoácido correspondiese un solo nucleótido entonces sólo se podrían codificar 4
aminoácidos. Si fuesen dos nucleótidos los que codifican un aminoácido, las posibles combinaciones serían
42=16 y tampoco serían suficientes. Las combinaciones de 3 nucleótidos son 4 3=64 con lo que es posible
codificar los 20 aminoácidos y sobrarían códigos. Se puede imaginar según esto el ADN formado por una
sucesión de grupos de 3 nucleótidos, llamados tripletes, correspondiente cada uno a un aminoácido.
Este planteamiento teórico ha sido demostrado experimentalmente y, efectivamente, el código de
cada aminoácido está contenido en un triplete o en varios de nucleótidos del ADN. Este código que asocia a cada
aminoácido un grupo de 3 nucleótidos se denomina código genético. Se considera que es degenerado porque
existen más tripletes que aminoácidos hay para codificar, y universal ya que sin apenas variaciones es utilizado
por todos los seres vivos, aunque con la excepción de las mitocondrias, que utilizan un código genético
ligeramente diferente para traducir la información contenida en sus pequeños cromosomas circulares.
En este punto de las investigaciones, el siguiente problema era establecer qué triplete correspondía
a cada aminoácido. Esto se logró gracias a un enzima descubierto en 1955 por Severo Ochoa, la polinucleótidofosforilasa, que cataliza la síntesis de polinucleótidos. Esta síntesis se puede realizar en presencia de cualquiera
de los nucleótidos-fosfato que forman los ácidos nucleicos. Si en el medio de la reacción sólo existen, por
ejemplo, nucleótidos de U, el enzima sintetiza un ácido nucleico con U como única base nitrogenada (poli-U).
Con este enzima y la bacteria E.coli Niremberg consiguió empezar a descifrar el código genético; usando poli-U
como ARNm la bacteria sintetizaba proteínas formadas únicamente por el aminoácido fenilalanina (Phe), por lo
que su código debía ser forzosamente UUU. Del mismo modo se estableció que el código de la Pro era CCC, el
de la Lys AAA y el de la Gly GGG. Para tripletes con bases nitrogenadas distintas el proceso es mucho más
complicado, pero finalmente se ha llegado a establecer el código genético completo, sabiéndose actualmente el
significado de los 64 tripletes.
13. TRADUCCIÓN GENÉTICA
Es el proceso mediante el cual se sintetiza una proteína a partir de un ARNm que, previamente, se
ha transcrito en un gen del ADN. Tiene lugar en los ribosomas, por tanto en el seno del citoplasma.
Para que la información contenida en la secuencia de bases del ARNm sea traducida a una
secuencia de aminoácidos de una proteína debe existir una molécula intermediaria que solucione dos problemas:
(1) para que cada aminoácido se coloque en su triplete correspondiente del ARNm es preciso que dicho triplete
sea descodificado, y (2) el tamaño molecular de un triplete de nucleótidos es mucho mayor que el de un
aminoácido.
Esta molécula intermediaria es el ARNt y su funcionamiento durante la traducción se debe
fundamentalmente a su estructura secundaria en forma de hoja de trébol. Se presenta doblado dispuesto en 4
brazos formados por dobles cadenas de ARN enfrentadas y unidas por sus bases por puentes de Hidrógeno, y tres
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bucles en los extremos de estos brazos que no tienen sus nucleótidos apareados. El brazo que no tiene bucle
presenta en su cadena más larga (extremo 3') siempre el triplete CCA que es el que sujeta al aminoácido
precisamente por la A. El bucle del brazo opuesto posee un triplete de anclaje que es complementario de un
triplete del ARNm. Estos dos tipos de tripletes reciben distintos nombres: el del ARNm se llama codon y el
correspondiente del ARNt anticodon. Cada molécula de ARNt es específica de cada aminoácido, de tal manera,
que según el anticodon de anclaje que posea, sujeta por el triplete CCA a uno u otro aminoácido de los que
existen libres en el citoplasma de la célula. La fijación de un aminoácido al triplete CCA del ARNt exige una
previa activación de dicho aminoácido por una molécula de ATP que libera un grupo pirofosfato y se precisa la
intervención de un enzima, la aminoacil-ARNt-sintetasa, específico de cada aminoácido. El complejo
aminoácido-ARNt unidos recibe el nombre de complejo de transferencia y constituye la forma en que los
aminoácidos son transportados y unidos para formar las cadenas de proteínas.
Ejemplo: el triplete que codifica el aminoácido Metionina (Met) es AUG. Cuando en una posición
determinada de una proteína debe colocarse una Met, en el ARNm aparece el triplete (codon) AUG. Sobre este
codon sólo podrá colocarse aquel ARNt que posea un triplete (anticodon) complementario, es decir UAC.
Dicho ARNt llevar en el otro extremo de su molécula, unido al triplete CCA el aminoácido Met
que habrá sido unido por el enzima Metionil-ARNt-sintetasa formando un complejo de transferencia con Met
(representado por ARNtMet).
Tanto en los procariotas como en los eucariotas, el mecanismo de la síntesis de proteínas se puede
considerar dividido en tres etapas sucesivas: iniciación, elongación y terminación.
- Iniciación de la síntesis de proteínas: Hacen falta dos señales de iniciación para que comience la
síntesis de proteínas: el triplete iniciador AUG, que codifica la Metionina, y la caperuza de metil-GTP del
ARNm, de tal manera que la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. Con la energía
que produce la hidrólisis del metil-GTP la subunidad menor del ribosoma se une al ARNm en la zona próxima a
la caperuza (extremo 5'), formando el complejo de iniciación, y se coloca el ARNt iniciador, que está cargado
con el aminoácido Metionina y posee el anticodon complementario al AUG (por ello, todas las proteínas recién
sintetizadas poseen metionina en su extremo N-terminal; después, en muchos casos, esta Met se elimina). Al
final de esta etapa de iniciación la subunidad mayor del ribosoma se acopla con el complejo de iniciación para
formar un ribosoma completo dotado de dos hendiduras o sitios de fijación: el sitio P, que queda ocupado por el
ARNtMet, y el sitio A, que está libre para recibir a un segundo ARNt cargado con su correspondiente
aminoácido.
- Elongación de la cadena polipeptídica: consiste en la unión de sucesivos aminoácidos que se van
añadiendo a la cadena polipeptídica en el seno de los ribosomas. Puede considerarse como la repetición de ciclos
de elongación, cada uno de los cuales consiste en añadir un nuevo aminoácido. Cada ciclo de elongación consta
de tres fases:
Primera fase: el sitio P está ocupado inicialmente por el ARNtMet y en el sitio A, que
está vacío, se introduce el ARNt cargado con su correspondiente aminoácido, cuyo anticodon es complementario
al triplete siguiente al AUG (en el esquema ACU); se aloja por tanto el ARNt con el anticodon UGA, que lleva
la Treonina (ARNtThr).
Segunda fase: la Metionina, que está unida por su grupo carboxilo al ARNt, rompe
este enlace y se une, mediante enlace peptídico, al grupo amino de la Treonina, que, a su vez, está enlazada a su
ARNt. El resultado es la formación de un dipéptido (Met-Thr) unido al ARNt de la Treonina y alojado en el sitio
A.
Tercera fase: El ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm exactamente 3 nucleótidos
en sentido 5'--3'. Esto provoca la expulsión del ARNt de la Met del sitio P, mientras que el ARNt de la Treonina,
junto con el dipéptido que lleva unido, pasan del sitio A al sitio P, dejando vacío el primero, con lo que se vuelve
a la primera fase y se inicia otro ciclo de elongación que, en el esquema corresponde a la Fenilalanina (Phe).
- Terminación de la síntesis de proteínas: La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando
aparece, durante la tercera fase de un ciclo de elongación, en el sitio A uno de los tres codones de terminación en
el ARNm (UAA, UAG o UGA). En este momento un factor proteico de terminación (RF) se une al codon de
terminación e impide que algún complejo de transferencia se aloje en el sitio A, con lo que al desplazarse el
ribosoma queda libre el extremo C-terminal de la proteína, y por tanto la proteína misma, habiendo terminado su
síntesis.
14. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La supervivencia en ambientes a menudo hostiles y cambiantes ha obligado a los seres vivos a
adoptar un conjunto de estrategias encaminadas a regular con la máxima eficacia la expresión de sus genes. Por
ello, para aprovechar adecuadamente las fuentes energéticas de que disponen, que no siempre son abundantes, y
evitar el despilfarro de energía, las células procarióticas y eucarióticas sintetizan en cada momento sólo aquellas
proteínas que necesitan.
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Las bacterias están obligadas a responder continuamente a los cambios producidos en el ambiente
externo y, por tanto, utilizan en cada momento solamente aquella fracción de información genética que resulta
realmente necesaria para dar respuesta a la variación de factores ambientales (nutrientes, temperatura, etc.). A
principios de los años sesenta, Jacob y Monod propusieron un modelo denominado operón para la regulación de
la expresión génica en las bacterias. Un operón es un conjunto de genes que codifican proteínas diferentes
implicadas en procesos bioquímicos muy relacionados (por ejemplo los enzimas que intervienen en una misma
ruta metabólica); todos estos genes se localizan en el cromosoma unos cerca de otros, con el fin de que la
regulación de su expresión se realice de forma coordinada. En cada operón se diferencian las siguientes partes:
a) Los genes estructurales (GE1, GE2, GE3, ......) que codifican la síntesis de las proteínas
enzimáticas (E1, E2, E3, .....) que participan en un determinado proceso bioquímico.
b) El gen regulador (R) que codifica la síntesis de una proteína represora y es el agente que
controla materialmente la expresión.
c) El promotor (P) que está próximo a los genes estructurales y que es la zona donde se une la
RNA-polimerasa y decide el inicio de la transcripción.
d) El operador (O) que es una región intercalada entre el promotor y los genes estructurales y que
posee una secuencia característica que cuando es reconocida por la proteína represora, bloquea el operador
impidiendo el avance de la RNA-polimerasa con lo que la transcripción se interrumpe y se produce una represión
génica (los genes no se expresan).
Ejemplo de regulación de la expresión génica: operón lactosa: el proceso seguido es el siguiente:
el gen regulador se transcribe y se sintetiza la proteína represora que bloquea el operador e impide la síntesis de
los enzimas E1, E2, E3, .....encargados de metabolizar la lactosa y transformarla en los productos 1, 2, 3 .... y P
(producto final). La lactosa aportada por la dieta es capaz de unirse a la proteína represora y provocarle un
cambio que la vuelve inactiva, por lo que, al alcanzar la lactosa un nivel determinado de concentración, se
inactiva toda la proteína represora y el operador se desbloquea; los genes estructurales se expresan (se
transcriben y traducen) y los enzimas E1, E2, E3,.... catalizan la transformación de la lactosa en el producto P; a
medida que descienden los niveles de lactosa, la proteína represora vuelve a activarse, se bloquea el operador y
la expresión de los genes estructurales vuelve a reprimirse.
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En los seres pluricelulares existe también una especialización de las células que responde a
determinados factores del ambiente interno. Esta especialización lleva consigo la diferenciación de tejidos en el
organismo pluricelular. Aunque todas las células de un mismo organismo poseen el mismo ADN, los mismos
genes, éstos no se expresan en todas por igual; por ejemplo, los genes de la hemoglobina sólo se expresan en los
eritrocitos. Los mecanismos que regulan la expresión génica constituyen, por tanto, el fundamento molecular de
la diferenciación celular, proceso por el cual, ya durante el desarrollo embrionario, determinados genes se
reprimen y otros se expresan en diferentes tipos celulares para dar lugar más tarde a los distintos tejidos de un
organismo.
El mecanismo más importante y generalizado de regulación de la expresión génica, tanto en
bacterias como en eucariotas, es el control sobre la transcripción. En los tejidos de los organismos pluricelulares
la mayoría de las decisiones encaminadas a producir unas proteínas y no otras se realiza mediante la activación
de la transcripción de unos genes y la represión de otros.
La activación de la transcripción se lleva a cabo frecuentemente por medio de una
descondensación de la cromatina. Frente a señales reguladoras del medio interno, generalmente de naturaleza
hormonal, la cromatina de una región determinada se descondensa durante un período de tiempo corto pero
suficiente para que se transcriban los genes localizados en esa zona.
En las plantas se da un caso especial de regulación de la expresión génica en el que es la luz la que
ejerce una función activadora de determinados genes vegetales. La luz, además de ser fuente de energía para la
fotosíntesis, controla el desarrollo de la planta mediante un proceso llamado fotomorfogénesis que decide el
tamaño que debe alcanzar la planta, el número de hojas, cuándo debe florecer y fructificar y, por último, el
tiempo que debe durar hasta que envejece y muere.
1ª
Base
Segunda base
U
C
UUU
UCU
Phe
UUC
U
UCC
UUA
CUC
CAU
Pro
CCC
CUA
CUG
CCG
AUU
ACC
AUA Ile
ACA
GUC
G
GUA
GUG
U
C
GGC
GGA
Gly
GGG
A
G
Gly
Glu
GAG
7/8
Arg
GGU
GAA
Ala
U
C
AGG
GAC
GCG
Ser
Asp
A
G
AGA
GAU
GCA
C
Arg
Lys
Ala
Val
U
Arg
AGC
AAG
GCC
CGU
AGU
AAA
GCU
Val
G
Asn
Thr
GUU
UGG Trp
CGG
AAC
AUG Met ACG
A
CGA
AAU
Thr
AUC
UGA Stop
Gln
CAG
ACU
Ile
C
CGC
CAA
Pro
U
UGC
His
CAC
CCA
Leu
Cys
Stop
UAG
CCU
Leu
A
UAA
Ser
UCG
CUU
UGU
Tyr
UAC
UCA
UUG
G
UAU
Ser
Leu
C
A
3ª
Base
A
G
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CUESTIONES
1.
Indica en qué sentido:
a. Lee la ADN-polimerasa la hebra molde.
b. Crece la hebra conductora.
c. Crece la hebra retardada.
d. Lee la ARN-polimerasa la hebra molde.
e. Crece el ARN durante la transcripción.
f. Recorre el ribosoma la cadena de ARNm.
g. Crece la proteína durante la traducción.
2.
Explica el papel del ARNt en la traducción.
3.
Define los siguientes términos:
a. Fragmento de Okazaki.
b. ARN-cebador
c. Caperuza de metil-guanosín trifosfato.
d. Complejo de transferencia.
e. Complejo de iniciación.
f. ARN transcrito primario.
g. Anticodon y codon.
4.
Indica qué aminoácidos llevan los complejos de transferencia cuyos anticodones son: CUU, UAU,
GUG.
5.
Indica qué anticodones llevan los complejos de transferencia cuyos aminoácidos son: Phe, Met, Val,
Cys.
6.
Explica qué importancia tuvieron en su momento y por qué los siguientes investigadores:
a. Avery, McLeod y McCarty.
b. Herschey y Chase.
c. Meselson y Stahl.
d. Severo Ochoa.
e. Niremberg.
7.
Dada la siguiente cadena de ADN:
3’..........TATACGTAACACTTTCGATGATTTGATCG..........5’
Deduce la proteína que codifica.
8.
Dada la siguiente cadena de ARNm:
5’..........AUAUGAAUUAUCGCCCCGAUAGGACCUAAAC..........3’
a. Deduce la proteína que codifica.
b. Deduce la secuencia del gen responsable de su síntesis.
9.
Dada la siguiente cadena peptídica:
N-terminal..........Met-Lys-Arg-Phe-Lys-His-Pro-Gly..........C-terminal
Deduce la secuencia del gen responsable de su síntesis.
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