Biología Profundización

Guía N° 4 2012
UNIDAD 1: GENÉTICA
SUB-UNIDAD 2: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN
Biología Profundización
En esta sesión tú podrás:
- Comprender los procesos de traducción, maduración de proteínas y regulación
génica de los procesos de la expresión génica.
- Reconocer los sucesivos procesos de la expresión génica, relacionando cada uno
de estos procesos entre sí, y comprendiendo que esta secuencia es de vital
importancia para la sobrevida celular y en consecuencia del organismo, por lo que
hay mecanismos regulatorios de la expresión.
TRADUCCIÓN
Maduración de proteínas y regulación genética
A partir de los procesos de transcripción y maduración de ARNm, ya poseemos una
molécula capaz de ser transportada al citoplasma, unirse al ribosoma y que posee
de una secuencia de codones con la estructura requerida para generar una
proteína funcional.
El paso siguiente consiste en traducir este lenguaje escrito en base a tripletes o
codones generados a partir de cuatro letras, que como ya sabemos, corresponden
a las cuatro bases nitrogenadas distintas que forman parte y dan nombre a los
nucleótidos del ARNm, al lenguaje de aminoácidos y proteínas.
Para hacer posible la traducción, el ARNm es transportado al citoplasma por
proteínas que reconocen las secuencias específicas añadidas en la maduración
post transcripcional que describimos anteriormente.
Los orgánulos celulares capaces de entender el lenguaje de codones del ARN y
traducirlo a una cadena de aminoácidos son los ribosomas, los que poseen una
estructura y organización particular acorde a la función que cumplen (Fig.1)
El ribosoma consiste en una unidad funcional compuesto por dos subunidades,
estas subunidades están formadas por dos macromoléculas diferentes: proteínas y
Autor: Daniel Oyanedel T. / Edición: Katherine Brante C.
Consultas: biología@preusm.cl / www.preusm.cl
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ARN ribosomal (ARNr), que como señalamos con anterioridad también es
producido mediante transcripción del ADN, pero por una ARN polimerasa distinta
a la encargada de sintetizar el ARNm, al igual que las
Otra molécula indispensable en el proceso de traducción es el ARN de
transferencia, ya que son las encargadas de transportar los aminoácidos que
están libres en el citoplasma hacia la zona de ensamblaje de los ribosomas, según
el orden que dicte la secuencia de codones que está siendo leída y traducida.
El ribosoma contiene distintos sitios que definirán la secuencia de ensamblaje de
los aminoácidos transportados por el ARNt.
Antes de abordar este tema, describiremos a
la molécula de ARNt de un punto de vista
estructural y funcional, ya que posee algunas
características importantes para lograr
comprender a cabalidad el proceso de
traducción.
Figura 1. Unidad ribosomal y las
subunidades que la componen.
ARN de transferencia
El ARNt es una molécula relativamente pequeña de aproximadamente 80
nucleótidos que a diferencia del ARNm posee una estructura especial
tridimensional o secundaria en forma de trébol resultado del apareamiento
interno de algunos nucleótidos complementarios.
Su función será llevar hasta el ribosoma el aminoácido correspondiente al codón
que en ese momento este siendo leído por el ribosoma, para este objetivo, en
primer lugar debemos deducir que deben existir a lo menos 20 tipos de ARNt
distintos, uno para cada aminoácido distintos, por lo tanto estructuralmente
deberían existir dos zonas de unión importantes: una con un sitio para los
aminoácidos y otra capaz de reconocer y unirse a los distintos codones presentes
en el ARNm.
Efectivamente estas dos zonas están presentes en el ARNt en donde el anticodón,
que corresponde a un triplete complementario al codón presente en el ARNm
produce el acoplamiento de los ARNt con el ARNm mientras en el extremo 3’ de
éste ARNt se encuentra acoplado el aminoácido correspondiente para ese codón.
La relación entre ARNt, ARNm y aminoácido, puede ser representada de forma
simplificada de la siguiente manera aplicándolo para un codón hipotético (Fig. 2).
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Figura 2 Relación entre el ARNt,
ARNm y aminoácido. Tener en cuenta
que esto constituye un ejemplo de la
unión entre los tres componentes
antes nombrados y no una
aproximación precisa al mecanismo
de la traducción que se describirá más
adelante.
Ya estamos en condiciones de describir el mecanismo de traducción en donde
sucesivos codones pertenecientes a una cadena de ARNm son traducidos a una
secuencia de aminoácidos que para ser ensamblados son transportados desde el
citoplasma a los ribosomas, unidos a los distintos ARNt.
Traducción
Ya describimos una estructura general del ribosoma constituida por dos
subunidades, la menor denominada 40S y la mayor denominada 60S. Cada una de
estas subunidades cumplirá un rol específico en el proceso de traducción.
Si bien este es un proceso continuo, podemos dividirlo en tres etapas para su
estudio, que pasaremos a revisar a continuación.
1. Iniciación:
Al comienzo de la traducción el ribosoma como unidad funcional se encuentra
desensamblado con sus subunidades libres en el citoplasma. La molécula de
ARNm, a ser traducida, se acopla a una zona de la subunidad menor 40S por
medio de su extremo 5´.
Una vez unido el ARNm, la primera molécula de ARNt lleva el primer aminoácido,
que siempre es metionina, a la zona de unión entre la subunidad 40S y el ARNm.
Por complementariedad de bases el codón del ARNm y el anticodón del ARNt se
unen de forma antiparalela. A continuación, la subunidad mayor 60S se acopla a la
subunidad 40S completando el llamado complejo de iniciación.
La subunidad mayor posee 2 espacios contiguos dentro de su estructura: el
espacio P (peptidílico) que es ocupado por el primer ARNt unido a metionina (en
la forma de N-formilmetionina o fMet) y el espacio A (Aminoacilico) que se
encuentra inicialmente vacante (Fig. 3).
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2. Elongación:
Un segundo ARNt, definido por el codón que se encuentre a continuación del
codón de inicio, se coloca en el sitio A, una vez sucedido esto, se forma un enlace
peptídico entre los aminoácidos anclados en el sitio P y A, y se rompe el enlace
entre el ARNt del sitio P y su aminoácido, quedando el dipéptido (dos aminoácidos
unidos) recién formado anclado al ARNt presente en el sitio A.
El ribosoma se mueve en dirección 5’ 3’, desplazando y desprendiendo al primer
ARNt y posicionando al segundo en el espacio P dejando el espacio A vacante para
el siguiente ARNt que aportara el aminoácido que corresponda para elongar el
péptido en formación.
El nombre de los sitios peptidílico y aminoacílico responde al hecho de que si se
analiza la descripción anterior, se evidencia que el sitio P será el que contendrá el
polipéptido en crecimiento unido al último ARNt cuyo aminoácido fue incluido a la
cadena peptídica mientras que el sitio aminoácido alberga transitoriamente al
ARNt y su aminoácido antes de que sea enlazado al péptido en elongación (Fig. 3).
3. Terminación:
La proteína en síntesis tendrá un tamaño definido por la longitud entre el codón de
inicio y el de término de la hebra de ARNm. Las secuencias que sirven de señal de
alto para la síntesis de proteica están definidas en tres posibles codones (UAA,
UAG, UGA) que al ser alcanzados por el ribosoma y debido que no codifican para
ningún aminoácido, causa que el polipéptido se desprenda del ARNt que lo
mantiene anclado al sitio P y que las subunidades del ribosoma se desensamblen,
dejando al polipéptido recién sintetizado libre en el citoplasma (Fig. 3).
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Figura 3. Las tres etapas de la traducción, complementar con la descripción anterior
Modificaciones post-traduccionales o maduración
El producto del proceso de traducción es una cadena lineal de aminoácidos unidos
por un enlace peptídico, sin embargo, para que esta proteína tenga una función
biológica debe plegarse y adquirir una estructura tridimensional.
Debido a las características químicas de los distintos aminoácidos que pueden
formar parte de una proteína el plegamiento puede suceder de manera
espontánea en donde la cadena adopta la estructura más estable posible, este
plegamiento además puede ser asistido por un conjunto de proteínas llamadas
proteínas chaperonas que no forman parte de la proteína pero la asisten en el
proceso de plegado.
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Por otro lado, hay proteínas que requieren una modificación que va más allá de la
adquisición de una estructura en tres dimensiones, que son generalmente aquellas
proteínas que tienen como destino formar parte física y funcionalmente de algún
orgánulo celular, a estas proteínas además se les añaden grupos químicos variados
e incluso pueden ser sometidas a la eliminación de algunos aminoácidos.
Algunas de las modificaciones post traduccionales más comunes son:
- Adición de grupos funcionales como por ejemplo grupos fosfato (PO4), metilo
(CH3), o hidroxilo (OH) que modificaran el plegamiento y permitirán que la
proteína posea potenciales de interacción con otras moléculas, que sin estos
grupos estarían ausentes.
- Glicosilación: Consiste en la añadidura de uno o más glúcidos (azúcares) a la
estructura proteica. Estos azucares son parte esencial de los sistemas de
reconocimiento celular constituidos por glicoproteínas de membrana.
- Modificación de aminoácidos: De los 20 aminoácidos codificados genéticamente
se pueden llegar a formar hasta más de 100 derivados de éstos con propiedades
químicas distintas a sus precursores.
- Proteólisis de segmentos: mediante actividad enzimática, se retiran segmentos
de la cadena original. Un ejemplo de este mecanismo es la activación por
proteólisis parcial de la insulina desde la preproinsulina.
Regulación génica
Hemos estudiado hasta ahora el proceso por el cual la información contenida en el
ADN, en base a un código definido por la estructura de las hebras que lo
componen, logra ser expresada en forma de macromoléculas que cumplen roles
funcionales en el contexto de los procesos vitales de una célula, sin embargo, no
tiene sentido que estas macromoléculas, ya sea ARNt, ARNr o proteínas estén
siendo sintetizadas sin un control que responda a las condiciones en que se
encuentra enfrentado el organismo, en parte porque constituiría un gasto
energético innecesario, además no permitiría una regulación de la velocidad de las
respuestas del organismo frente a las fluctuaciones del ambiente, en el caso de los
organismos pluricelulares la regulación genética es la responsable de la
diferenciación y especialización celular, la base de la configuración de un
organismo multicelular.
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La regulación genética en procariontes y eucariontes siguen sistemas diferentes,
pero con un objetivo común.
Procariontes
Uno de los modelos de regulación que se utilizan para explicar los fundamentos de
la regulación en procariontes es el del operón lactosa.
Un operón es un grupo de genes adyacentes entre sí, dentro del cromosoma único,
que codifican para proteínas con funciones relacionadas y que son transcritas al
mismo tiempo y reguladas en conjunto.
La estructura de un operón se constituye por una secuencia promotor que sirve de
sitio de unión para la polimerasa, una secuencia operador en donde se une la
proteína represora de la transcripción y los genes estructurales que codifican para
las proteínas, generalmente enzimas, que participan en una vía metabólica en
común, por lo tanto en conjunto producen un efecto dentro del metabolismo
bacteriano. También se considera parte del operón, aunque generalmente se
encuentra en una zona distante del cromosoma, a la secuencia reguladora, que es
la contiene la información para sintetizar la proteína represora.
Operón lactosa
La expresión de las enzimas codificadas en el operón lactosa, permite la
metabolización la lactosa como fuente de alimento. Y su activación o inhibición
dependerá de la presencia o ausencia de ésta.
En condiciones de ausencia de lactosa el operón se encuentra inhibido por la
proteína LacI que posee gran afinidad por el sitio operador, por lo tanto su unión
con esta secuencia inhibe el avance de la ARN polimerasa, de la transcripción y por
lo tanto de la síntesis de las tres enzimas que componen los genes estructurales de
este operón. Sin embargo, la proteína represora posee un sitio de unión para la
lactosa (específicamente alolactosa), con el efecto de que la unión con ésta reduce
la afinidad del represor para unirse al operador, causando el desprendimiento de
éste y posibilitando el avance de la ARN polimerasa y la transcripción de los genes.
Una vez que toda la lactosa presente en el medio fue consumida la proteína
represora se vuelve a unir al operador y la transcripción del operador se anula
nuevamente impidiendo el gasto innecesario de una síntesis constante de las
enzimas de degradación de la lactosa incluso en los momentos en que no existe
sustrato (lactosa) para degradar.
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Eucariontes
En las células eucariontes los genes se disponen en cromosomas separados entre
sí, y no existe el sistema de expresión en base a operones, esto sumado a la
pluricelularidad que la activación y desactivación de grupos de genes en los
distintos linajes celular configura una serie estrategias de regulación en las
distintas etapas del flujo de información de ADN a proteína. La mayoría de estas
estrategias ya han sido desarrolladas a lo largo de todo la unidad de genética,
aunque sin contextualizarlas específicamente bajo la denominación de
mecanismos de regulación génica sino que más bien se describieron insertas
dentro de los distintos procesos descritos, por lo que ahora se entregará un
pequeño resumen de ellas.
1) Condensación de la cromatina: Durante la fase en que se realiza la síntesis de
ARN las zonas del ADN que codifican para proteínas permanecen en una
disposición laxa, haciendo accesibles a estas secuencias a las distintas enzimas,
factores de transcripción y proteínas reguladoras que permiten que la
transcripción se lleve a cabo. Por lo tanto la condensación y des condensación de
la cromatina, representa un control sobre el componente temporal de la
transcripción.
2) Promotores y potenciadores: Durante el proceso de transcripción describimos
una serie de secuencias anexas a los genes que Servín de zona de unión a distintas
moléculas involucradas directa e indirectamente sobre la transcripción de ADN.
Dentro de estas secuencias podemos encontrar 2 que tienen una significancia en la
regulación génica: las secuencias promotoras y las reguladora, en el caso de la
secuencia promotor, la unión preliminar de los distintos factores de transcripción
era el punto de inicio que permitía la unión de la ARNpol II y el comienzo de la
transcripción, por lo tanto la síntesis diferencial de estos factores de transcripción
constituirá una forma de inducir o reprimir la síntesis de transcriptos de un ARNm
específico. En el caso de las secuencias reguladoras, la unión con proteínas
específicas determinará un aumento en la tasa de transcripción al potenciar la
velocidad de procesamiento de la ARN pol.
3) Splicing alternativo: Los distintos procesamientos post-trancripcionales que
podían generar variantes de ARNm maduro a partir de una misma secuencia de
transcripto primario, también representa una forma de controlar las proteínas que
serán producidas al final del proceso de expresión.
4) Modificaciones Post- traduccionales: El mejor ejemplo son las proteínas que no
poseen actividad biológica sin antes ser sometidas a algún tipo de adhesión de
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grupos funcionales, o proteólisis parcial de uno o más segmentos. Lo que también
puede ser considerado regulación de la expresión genética ya que el objetivo final
de este flujo de información es la producción de una proteína funcional, por lo
tanto sin estas modificaciones post tradicionales los poli péptidos sintetizados
constituirían sólo un producto sin una utilidad real dentro del organismo.
¡Prepárate para la PSU!
Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer
atentamente:
1. Se afirma que las proteínas son los genes en acción, ¿Cuál de la(s) siguiente(s)
enunciado(s) la apoya(n) esta afirmación?
I. El DNA está formado por aminoácidos.
II. El DNA y el RNA tienen el mismo significado a pesar del cambio de timina por uracilo.
III. En ambos el anticodón utilizado es el mismo.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) I y II
E) II y III
2. Para que se pueda expresar la información genética, debe ocurrir:
I. Permutación cromosómica.
II. Transcripción de ARN.
III. Síntesis de proteínas.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) I y II
E) II y III
D) I y III
E) I, II y III
3. La transcripción y la traducción tienen en común:
I. La acción de las mismas enzimas.
II. Que son procesos que requieren energía.
III. Los productos que se sintetizan.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
4. Para que un compuesto favorezca el proceso de traducción, debe:
I. Bloquear los genes del nucleolo.
II. Activar enzimas que catalizan la formación de enlaces peptídicos.
III. Favorecer la unión entre las dos subunidades ribosómicas.
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) II y III
E) I, II y III
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5. El código genético presenta las propiedades o características listadas, EXCEPTO:
A) Los tripletes codifican para los mismos aminoácido en la inmensa mayoría de los
organismos de vida libre (universal).
B) Cada aminoácido puede ser codificado por más de un triplete (degenerado).
C) Una base de codón puede pertenecer a más de un triplete o codón (traslapado).
D) Pueden existir sinónimos para cada aminoácido (redundante).
E) No hay nucleótidos separadores de cada codón (continuo).
6. La posición de un aminoácido en una proteína está dada por la posición del codón
en el (la):
A) mRNA maduro.
B) mRNA traducible.
C) Señal de término.
D) Transcrito primario.
E) Secuencia promotora.
7. El proceso por el cual una molécula de ARN genera una Proteína se denomina:
A) Trascripción
B) Traducción
C) Replicación
D) Autoconservación
E) Trascripción reversa
8. En el marco de la síntesis proteica, ¿Cuál es la función que cumple el ARNm?
A) Corresponde a un gen del ADN que especifica la secuencia de aminoacidos de una
proteína.
B) Esta encargado de traducir el mensaje genético que proviene desde el ADN.
C) Representa un lugar físico en el que ocurre la fabricación.
D) Está encargada de iniciar la lectura del mensaje genética.
E) El ARNm no participa de este proceso.
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