La expresión de la información genética

LA EXPRESIÃ N DE LA INFORMACIÃ N GENÃ TICA: TRANSCRIPCIÃ N Y TRADUCCIÃ N
1. Concepto de gen.
A. TeorÃ−a un gen-un enzima. Tras diversos estudios en la primera mitad del siglo XX, G. Beadle y D.
Tatum llegaron a la conclusión de que los genes contienen información para sintetizar proteÃ−nas
enzimáticas y propusieron la hipótesis de “un gen, un enzima”, lo que se generaliza después como “un
gen, una proteÃ−na, un carácter”. Dicho de otro modo, los genes (el ADN) se expresan mediante la
sÃ−ntesis de proteÃ−nas y éstas catalizan reacciones bioquÃ−micas que son las responsables de los
caracteres. No obstante, años más tarde se comprobó que, en eucariotas, un gen puede codificar para
varias proteÃ−nas debido al proceso de maduración de los ARNm, que varios genes pueden estar implicados
en la sÃ−ntesis de una misma proteÃ−na, y que basta con el cambio en un par de nucleótidos (mutación)
para que se produzca un cambio en el fenotipo de un individuo. Actualmente, se considera como gen a
cualquier secuencia de ADN que se transcribe como una unidad de ARN, incluyendo asÃ− a todo tipo de
ARN y a la posibilidad de que un mismo ARNm sirva para sintetizar varias proteÃ−nas relacionadas en lugar
de una sola.
B. Dogma central de la BiologÃ−a molecular. En 1970 Francis Crick enunció el Dogma central de la
BiologÃ−a molecular, según el cual la información genética contenida en el ADN se mantiene gracias a
su capacidad de replicación y que ésta se expresa dando lugar a las proteÃ−nas siguiendo dos pasos,
transcripción (del ADN al ARNm) y traducción (del ARNm a las proteÃ−nas):
ADN â
ARNm â
proteÃ−nas
Los virus con ARN (los retrovirus como el virus del SIDA) son una excepción a este dogma. En este caso, la
molécula de ARN funciona como molde para la sÃ−ntesis de ADN gracias a que son portadores de un
enzima, la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, que transfiere la información del ARN vÃ−rico a ADN
bicatenario.
2. La transcripción del ADN: sÃ−ntesis de ARN
El proceso de transcripción consiste en la sÃ−ntesis de ARN a partir de una de las dos cadenas de ADN
(cadena codificante). El mecanismo de la sÃ−ntesis es parecido al de la duplicación del ADN, pero en este
caso se unen ribonucleótidos y, frente a una adenina del ADN, se ha de incorporar un ribonucleótido de
uracilo en lugar del desoxirribonucleótido de timina.
Las ARN polimerasas son las encargadas de la transcripción:
- La ARN polimerasa lee el ADN en sentido 3' â
5', por lo que sintetiza ARN 5' â
3'.
- La transcripción es asimétrica: sólo utiliza como molde, según los genes, una de las dos cadenas de
ADN, llamada codificadora; la que no se transcribe se denomina estabilizadora.
- En eucariotas, genes distintos del mismo cromosoma pueden utilizar como codificadora cadenas diferentes.
A. Transcripción en procariotas. En las células procariotas la ARN polimerasa cataliza la transcripción
de todos los tipos de ARN (ribosómico, transferente, mensajero y heterogéneo nuclear). Para que se inicie
la transcripción la ARN polimerasa deberá unirse a una proteÃ−na, el factor Ï (sigma). Puede dividirse en
tres etapas: iniciación, elongación y terminación.
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- En la etapa de iniciación la ARN polimerasa y el factor sigma se unen a una región de una de las cadenas
del ADN llamada promotor que contiene el lugar de iniciación a partir del cual empieza la sÃ−ntesis de
ARN, siempre en sentido 3'â 5'. La elección de la cadena a transcribir depende del promotor, teniendo en
cuenta que nunca se solapan zonas de lectura al transcribir ARN diferentes.
- En la etapa de elongación, el factor Ï se suelta y la ARN polimerasa avanza a lo largo del ADN en
sentido 3'â 5', añadiendo nuevos nucleótidos en sentido 5'â 3', al tiempo que sigue abriendo la doble
hélice que vuelve a cerrarse por detrás del enzima, obligando a que la cadena de ARN se vaya separando
de la de ADN patrón, a la que se mantenÃ−a transitoriamente unida por puentes de hidrógeno formando
una corta doble hélice de ADN-ARN.
- En la etapa de terminación, la ARN polimerasa alcanza en el ADN una señal de terminación, rica en C
y G. Una vez transcrita provoca que esa región del ARN forme una horquilla de bases complementarias (la
cadena se dobla), lo que obliga a que el ARN y el enzima se separen del ADN y éste vuelva a recuperar su
configuración en doble hélice. En este proceso interviene también un factor de terminación, el factor
Ï” (ro).
En procariotas los ARNm son policistrónicos, de manera que un ARNm contiene la información para
sintetizar varios polipéptidos diferentes que suelen estar sometidos al mismo control. El grupo de genes que
codifica a esos polipéptidos se denomina operón.
B. Transcripción en eucariotas. En las células eucariotas el proceso es más complejo que en procariotas.
Tiene lugar en el núcleo, necesita de la presencia de ciertos factores de la transcripción, y existe una ARN
polimerasa distinta para la transcripción de cada tipo de ARN, que reconocen promotores diferentes en el
ADN (ARNasa I -formación de ARNr-, ARNasa II -forma ARNhn y ARNm- y ARNasa III -origina ARNt-).
La organización del ADN, asociado a histonas y formando los nucleosomas, condiciona y obstaculiza la
unión de los factores de transcripción, de las polimerasas y el desplazamiento sobre el ADN.
En eucariotas los ARNm son monocistrónicos, de manera que un ARNm contiene la información para
sintetizar un solo polipéptido.
C. Maduración en procariotas y eucariotas. En procariotas, sólo maduran los ARN precursores de los
ARNr y de los ARNt (se eliminan algunos nucleótidos); sin embargo, los ARNm no se procesan, son
leÃ−dos directamente por los ribosomas. En eucariotas, maduran todos los ARN. El procesamiento de los
ARNr consiste en la eliminación de ciertas secuencias de ribonucleótidos.
El procesamiento de los precursores de los ARNm es más complejo y consiste en:
• Adición en el extremo 5' del ARNhn de una caperuza de metilguanosina que evita su degradación y
es reconocida por el ribosoma para iniciar la traducción; es transformado asÃ− en ARNm.
• Adición en el extremo 3' del ARNhn de una cola de pli-A (formada por 150 a 200 ribonucleótidos
de adenina), que evita su degradación y está relacionada con su salida al citoplasma.
• Eliminación de intrones, es decir, segmentos del ARNhn que no se traducen. Las regiones que se
traducen se denominan exones. El número de intrones y exones y su tamaño es muy variable de
unos genes a otros dentro de la misma especie.
3. La traducción: sÃ−ntesis de proteÃ−nas.
3.1. El código genético.
La información para dirigir la sÃ−ntesis de proteÃ−nas se encuentra en la secuencia de bases del ADN,
mientras que el producto en que ha de transformarse esa información se encuentra en la secuencia de
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aminoácidos de la cadena polipeptÃ−dica. El ADN contiene los planos (secuencia de nucleótidos) con las
instrucciones para construir (sintetizar) el edificio (molécula) de las proteÃ−nas con unos ladrillos
(aminoácidos), que se han de unir en un orden determinado. Pero la célula no usa los planos originales,
sino que emplea cada vez una copia (secuencia de ribonucleótidos complementaria), el ARNm. Esta
correspondencia entre las cuatro bases del ADN, las complementarias del ARNm y los 20 aminoácidos que
pueden formar proteÃ−nas, es lo que conocemos por código genético.
Utilizando la comparación con otros tipos de códigos, podemos decir que los cuatro tipos de nucleótidos
del ADN serÃ−an una clave, un código o alfabeto formado por cuatro letras (A, G, C y T) con las que la
célula puede escribir diferentes palabras que tienen el significado de los 20 aminoácidos. El orden de las
letras (nucleótidos) origina distintas palabras (aminoácidos) que, escritas unas tras otras en determinado
orden, forman frases concretas con sentido propio (proteÃ−nas).
Gracias a los trabajos realizados entre 1961-65 por Severo Ochoa y otros investigadores, sabemos que las
palabras de ese código son de tres letras, es decir que un triplete del ADN (tres nucleótidos) significa un
aminoácido para la célula. En la práctica se utilizan como clave genética los tripletes
complementarios del ARNm, llamados codones, en los que aparecerá U en lugar de T. Como hay cuatro
letras distintas, pueden existir 64 tripletes diferentes (variaciones con repetición de cuatro elementos
tomados de tres en tres: 43 = 64), de sobra para codificar a los 20 aminoácidos. Aunque cada codón sólo
tiene un significado, varios codones pueden tener el mismo significado; además, hay tripletes “sin sentido”,
que no tienen significado como aminoácidos, pero hacen otro papel marcando los puntos finales del mensaje
genético (tripletes de terminación).
Algunas caracterÃ−sticas del código que conviene destacar son:
· Es especÃ−fico, pues cada codón codifica un solo aminoácido. Se dice por ello también que cumple
un principio de colinealidad.
· Es degenerado porque varios codones significan un mismo aminoácido. Casi todos ellos tienen en
común las dos primeras bases, ofreciendo cierto margen de seguridad ante cambios de nucleótidos
(mutaciones) que afecten a la tercera base, que darÃ−an otros tripletes distintos con el mismo significado. Es
decir, es como si el código genético admitiera sinónimos pero no homónimos (nuestro código
alfabético admite ambos).
· No presenta solapamientos ni discontinuidades, es decir, los tripletes se interpretan uno tras otro en
dirección 5' â 3' y una base no puede pertenecer a la vez a dos tripletes consecutivos, ni puede quedar
suelta sin pertenecer a ninguno. Por eso el proceso de edición (inserta o quita algún nucleótido) cambia el
significado del mensaje a partir de ese punto.
· Es universal, los mismos tripletes tienen el mismo significado en todas las células. La universalidad del
código se puso en duda para ciertos genomas, como el de mitocondrias y ciertos protozoos, pero ahora se
sabe que, aunque en estos orgánulos puede haber tripletes de ARN con significado diferente al habitual,
puede deberse a los procesos de edición que sufre después de su transcripción, pero el pre-ARN contiene
los mismos tripletes con igual significado.
· Hay un triplete de iniciación, AUG, que codifica para formil-metionina.
· Existen tres codones de terminación (stop) que no codifican para ningún aminoácido: UAA, UAG y
UGA.
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3.2. Mecanismo de traducción.
A. Activación de los aminoácidos. La activación se realiza en el citoplasma, donde se encuentran los
ARNt. Cada ARNt reconoce de forma especÃ−fica a cada uno de los 20 aminoácidos, uniéndose a él
por el extremo aceptor de su molécula, mientras en el otro extremo cuenta con el triplete de bases, llamado
anticodón, complementario de alguno de los codones que hay en el ARNm, al que se unirá por puentes de
hidrógeno. Por tanto, los ARNt son el fundamento de la traducción del código, ya que son los encargados
de relacionar los tripletes del ARNm con sus aminoácidos correspondientes. La reacción está catalizada
por un enzima aminoacil-ARNt sintetasa especÃ−fico de cada uno de los 20 aminoácidos, de modo que un
determinado ARNt se une a un aminoácido y sólo a ése, resultando un aminoacil-ARNt en cada caso. En
realidad ésta es la causa de la especificidad del código, es decir, de que a cada codón del ARNm le
corresponda un aminoácido. En cambio, un mismo aminoácido puede ser reconocido por varios ARNt,
cuyos anticodones varÃ−an sólo en la tercera base (degeneración del código).
B. Traducción de la información genética. La traducción del mensaje en los ribosomas es la
biosÃ−ntesis de proteÃ−nas, propiamente dicha. El proceso se estudió primero en las células procariotas y
presenta pocas diferencias con las eucariotas; puede dividirse en iniciación, elongación, terminación y
maduración:
- Iniciación. Para que se inicie la sÃ−ntesis se requiere: ARNm, la subunidad menor del ribosoma, factores
proteicos de iniciación, energÃ−a que proporciona el GTP, iones Mg2+ y el formilmetionil-ARNt (en
eucariotas, metionil-ARNt). Se forma el complejo de iniciación en el que se ensambla el ARNm sobre la
subunidad ribosómica menor y el ARNt se une por su anticodón al codón de inicio AUG. Por tanto, el
primer aminoácido, al que llamaremos aa1, es siempre formilmetionina en procariotas (metionina, en
eucariotas). A este complejo se une la subunidad ribosómica mayor y el ARNt cargado se sitúa en el
llamado sitio P (peptidil), quedando el sitio A (aminoacil) frente al siguiente codón del ARNm.
- Elongación. Se requiere la participación de varios factores de elongación que dirigen las siguientes
operaciones. En primer lugar, se produce la incorporación en el sitio A de un nuevo aminoacil-ARNt que
lleva el aminoácido aa2 correspondiente al codón aquÃ− situado. A continuación, se produce la unión
por enlace peptÃ−dico entre el grupo ácido del aa1 y el amino del aa2, quedando el dipeptidil unido al sitio
A. Por último, el primer ARNt ya descargado, sale del ribosoma y éste se desplaza sobre el ARNm,
pasando el complejo aa1-aa2-ARNt a ocupar el sitio P, dejando libre el sitio A con el siguiente codón
dispuesto a recibir un nuevo aminoacil-ARNt con el aa3. A partir de aquÃ−, el proceso se repite con el avance
del ARNm en dirección 5' â 3' y la cadena polipeptÃ−dica se alarga. Los diferentes pasos del proceso
requieren energÃ−a que proporciona el GTP.
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- Terminación. El proceso se interrumpe cuando aparece en el sitio A uno de los tres codones de
terminación (UAA, UAG Y UGA), que no codifican ningún aminoácido. Intervienen entonces los
factores de terminación que bloquean la entrada al sitio A de cualquier nuevo aminoacil-ARNt que pudiera
entrar por error. La cadena polipeptÃ−dica se separa del último ARNt que queda libre y el ARNm es
degradado. En realidad, una misma cadena de ARNm puede ser leÃ−da y traducida sucesivamente por varios
ribosomas, formando un polirribosoma (o polisoma). Conforme se desplaza por ellos, la lectura se repite en
cada uno y se sintetizan tantas moléculas de proteÃ−na como unidades forman el polirribosoma.
- Maduración. La cadena polipeptÃ−dica se pliega para adquirir su estructura espacial propia, a la vez que
puede sufrir otras modificaciones postraduccionales, según la actividad de cada proteÃ−na: pérdida de la
formilmetionina inicial, adición de sulfato, fosforilaciones, glucosilaciones, proteolisis en alguna de sus
regiones, etc.
Esta reacción la cataliza una peptidiltransferasa de la subunidad grande del ribosoma.
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