Biología Profundización

Guía N° 3 2012
UNIDAD 1: GENÉTICA
SUB-UNIDAD 2: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN
Biología Profundización
En esta sesión tú podrás:
- Conocer el proceso transcripcional y post-transcripcional.
- 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, y de las consecuencias en las fallas
de éstos.
Transcripción y
proceso post- transcripcional
Ya conocemos la estructura del ADN y sus componentes, junto con el concepto
de gen y cómo la expresión de éstos se relaciona con la síntesis de las proteínas
que componen el fenotipo de un individuo, en la forma de un flujo de
información que puede ser expresado mediante el siguiente esquema general:
Figura 1. Flujo simplificado de la información desde ADN a proteína.
Autor: Daniel Oyanedel T. / Edición: Katherine Brante C.
Consultas: biología@preusm.cl / www.preusm.cl
1
Guía N° 3 2012
Sabemos también que el ADN y los ribosomas, orgánulos encargados de la
síntesis proteica, se encuentran separados en dos compartimientos celulares
independientes, por lo que las instrucciones contenidas en el ADN son copiadas
en una molécula mensajera que pueda ser transportada al citoplasma celular y
entregar la información de la secuencia proteica a los ribosomas.
Esta molécula es el ARN mensajero, y la copia de información de ADN a ARNm
recibe el nombre de transcripción. Recordar que además del ARNm existe el
ARNt y ARNr que si bien cumplen otras funciones, también son producidos en el
proceso de transcripción, en este caso nos centraremos en el ARNm ya que es el
que forma parte del flujo de información.
Transcripción
Este proceso, como sucede generalmente en el ámbito biológico, es resultado
de la interacción, específica y coordinada, de una serie de elementos
heterogéneos, que trabajando de forma conjunta logran producir una actividad
biológica determinada.
Para la transcripción necesitamos los siguientes elementos:
- Hebra molde de ADN que determine un gen específico
- ARN polimerasa
- Factores de transcripción
- Nucleótidos
La cadena o hebra de ADN molde, como su nombre lo dice, sirve de molde en
base al cuál será generada la cadena de ARN.
En el contexto de la transcripción, aparte de la secuencia que determina el gen
que se será transcrito, debemos considerar otras secuencias anexas, que si
bien, no son parte del mensaje, son vitales para que la interacción entre los
elementos, de la que hablábamos anteriormente, pueda ocurrir. El gen, más
estas secuencias anexas pueden ser representadas de la siguiente forma:
2
Guía N° 3 2012
Figura 2. Gen y secuencias anexas
Un buen observador, notará dos cosas importantes: en la imagen sólo se
muestra una de las dos cadenas que componen la molécula de ADN y la
orientación de esta cadena es de 3’ 5’.
En el proceso de la transcripción este hecho se fundamenta en la forma en que
trabaja la enzima encargada de sintetizar la cadena de ARN: sólo pueda
ensamblar los nucleótidos en una sola dirección, y esta es de 5’ 3’, por lo
tanto la cadena de ADN que le sirve de molde debe tener la orientación
contraria, esto es de 3’ 5’, como se muestra en la imagen.
Esta enzima encargada de la síntesis de ARN recibe el nombre de ARN
polimerasa, de la cual, involucradas en la transcripción existen 3 distintas,
denominadas ARNpol I, ARNpol II y ARNpol III.
Nuevamente hay que tener en cuenta que la información contenida en el ADN
permite la síntesis de distintos tipos de ARN: el ARN mensajero, encargado de
transportar la información para la síntesis proteica, el ARN ribosomal que
forma parte de los ribosomas, orgánulos en donde se ensamblas las proteínas
en base a la información que proporciona el ARN mensajero proveniente de la
transcripción del ADN, y el ARN de transferencia, que lleva los aminoácidos
hasta el ribosoma para ser ensamblados en la cadena poli peptídica.
Éstos distintos ARN no son producidos por la misma ARN polimerasa por esto
3
Guía N° 3 2012
existen los 3 tipos distintos, en donde la ARNpol II es la encargada de sintetizar
el ARNm.
Este proceso en el cuál la ARNpol II copia la información contenida en el ADN
requiere un contacto físico entre la enzima (ARNpol II) y la hebra molde de
ADN, por lo tanto se requiere un sitio de unión en el ADN con una secuencia
específica que sea reconocida por la enzima, esta zona de reconocimiento y de
unión se conoce como zona promotor.
A esta zona promotor no solo se une la ARNpol II, existen otras proteínas
denominadas factores de transcripción que se deben unir con antelación a la
secuencia promotor para permitir la posterior unión de la ARNpol II, los factores
de transcripción son un método de controlar la síntesis de ARN y por lo tanto
constituyen reguladores de la expresión genética, al igual que la secuencia
reguladora que mediante la unión con proteínas específicas puede controlar la
velocidad a la que sintetiza ARN la ARNpol.
Una vez unidos los factores de transcripción y la ARNpol II a la secuencia
promotor, comienza la transcripción, que consistirá en el avance de la enzima a
lo largo de la hebra de ADN a medida que va separando las hebras, leyendo la
hebra molde y copiando su información en forma de ARNm, hasta que la
enzima se encuentre con la secuencia de término, lo que provocará que ésta se
desensamble de la hebra de ADN poniendo fin a la transcripción (Fig. 3).
Figura 3. (1) Unión de los factores de transcripción a la secuencia promotor. (2)
Unión de la ARNpol II al sitio promotor de la cadena molde y apertura parcial de
4
Guía N° 3 2012
la doble hebra a medida que avanza en dirección 5’. (3) Elongación de la cadena
de ARNm. (4) Secuencia de la hebra molde que señala el término de la
transcripción. (5) Nucleótidos libres, recordar que la Timina es reemplazada por
Uracilo en el ARN.
Maduración o procesamiento de ARNm
Una vez que la ARNpol II se encuentra con la secuencia de término de la
transcripción, se detendrá la síntesis de ARNm y la hebra simple quedará libre
en el núcleo. Esta hebra, si bien contiene la información de un gen, no posee
aún las características estructurales necesarias para poder ser traducida en una
proteína.
Por lo tanto, requerirá ser sometida a una secuencia de
modificaciones, cada una con una funcionalidad específica.
Como sabemos, las moléculas de ADN y ARN pueden ser encontradas por
ejemplo en bacterias, organismos que pueden llegar a representar un riesgo
para organismos eucariontes como nosotros, por lo tanto existen mecanismos
en las células que discriminan entre las moléculas propias y las ajenas en donde
las ajenas una vez son identificadas, son eliminadas.
Las bacterias poseen un mecanismo diferente de transcripción, ya que, al no
poseer un núcleo definido y separado por una membrana, el ADN se encuentra
en el citoplasma y a medida que es transcrito en ARNm es traducido a proteína
inmediatamente.
Los organismos eucariontes como nosotros, aprovechan esta característica para
diferenciar su ARNm de ARNm ajenos, agregando, en el comienzo de la
transcripción, cuando la hebra de ARNm tiene una longitud de unas 20 bases,
un nucleótido modificado al extremo 5’ de la hebra de ARN, este nucleótido
modificado corresponde a la 7-metil guanina y recibe el nombre de extremo
CAP (Fig. 4.a). Este CAP protege al ARNm de ser degradado por la célula y
además es necesario para la unión con el ribosoma a nivel de citoplasma, esta
modificación preliminar constituye el primer procesamiento del ARN.
5
Guía N° 3 2012
La segunda modificación se realiza cuando el ARNm se encuentra
completamente sintetizado y libre dentro del núcleo, la modificación consiste
en una cola que se añade en el extremo 3’ de la hebra y consiste en una
repetición de hasta 200 nucleótidos de adenina, recibiendo por lo tanto el
nombre cola poli-A. Esta cola sirve de señal para que la célula transporte el
ARN maduro al citoplasma para comenzar el proceso de traducción.
Esta síntesis es responsabilidad de otra enzima, la ARN poli-A polimerasa.
Por último, otro procesamiento necesario para que el ARNm alcance la
categoría de maduro, es el corte de intrones y empalme de exones o Splicing.
Recordemos que no toda la secuencia que compone un gen sirve para ser
traducida en una proteína funcional, ya que, intercaladas entre las secuencias
“útiles” o exones, se encuentran los intrones que deben ser cortados y
eliminados, con el fin de unir los exones y generar un mensaje funcional (Fig. 4).
Figura 4. Las tres modificaciones que sufre el ARNm en el proceso de maduración.
(a) Adhesión del CAP al extremo 5’. (b) Síntesis de la cola poli-A. (c) Corte de
intrones y empalme de exones o Splicing. Al final de la secuencia se muestra un
ARNm maduro con las siguientes características: Protección frente a la degradación y zona de unión al ribosoma, una señal de exportación hacia el citoplasma y
una secuencia capaz de comandar la síntesis de una proteína funcional.
6
Guía N° 3 2012
Splicing alternativo
Décadas atrás existía la idea de que la relación entre genes y proteína seguía
una proporción 1:1, es decir, a cada proteína de un organismo le correspondía
un gen que la codificaba, sin embargo, al comparar la cantidad de genes
presentes en los genomas de organismos eucariontes con el número de
proteínas distintas que éstos presentaban, éstas exceden al número de genes
del genoma, por lo tanto se invalida la teoría de 1 gen = 1 proteína.
Este fenómeno es responsabilidad del Splicing alternativo en donde se
presentan variantes en el procesamiento ARNm inmaduro, ya sea utilizando una
secuencia diferente como promotor, colocando la cola poli-A en una ubicación
distinta o reteniendo intrones o eliminando exones de la hebra, que generaran
en última instancia un cambio en la secuencia de tripletes o codones del ARNm
maduro y por lo tanto una proteína distinta en cada una de las variantes del
Splicing, permitiendo un mayor almacenaje de información para la misma
longitud de una secuencia de ADN.
7
Guía N° 3 2012
¡Prepárate para la PSU!
Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer
atentamente:
1. Una de las principales diferencias entre el ADN y ARN son, excepto:
A) La azúcar desoxirribosa y ribosa
B) El timina y la uracilo
C) El Ion fosfato y el anión monofosfato
D) La hélice doble y simple
E) N/A
2. De los procesos de duplicación del ADN y de transcripción del mismo resultan
A) Moléculas de ADN, en ambos casos.
B) Moléculas de ARN, en ambos casos.
C) ADN y ARN, respectivamente.
D) ARN y ADN, respectivamente.
E) Ninguna de las anteriores.
3. Las siguientes características del ARN permiten suponer que sea la molécula
hereditaria primera en aparecer dentro del ambiente primitivo:
I. Su capacidad de autorreplicación.
II. Su acción de molde para la síntesis de ADN (transcripción inversa).
III. La diferenciación de los ARN favorable para la síntesis proteica.
IV. Su actividad enzimática.
A) I y II
B) II y IV
C) I, III y IV
D) II, III y IV
E) I, II, III y IV
8
Guía N° 3 2012
4. En relación al proceso de síntesis de ácidos nucleicos es correcto afirmar que:
I. En eucariontes el ARNr se sintetiza en el citosol.
II. Procesos que son ejemplos de ello en la transcripción y la traducción.
III. En eucariontes, la síntesis de ARNm va seguida de modificaciones
postranscripcionales.
IV. Ocurre preferentemente en al aparato de Golgi.
A) Sólo I
B) Sólo III
C) I y IV
D) II y III
E) I, III y IV
5. ¿Cuál de las siguientes moléculas sería útil administrar marcada
radiactivamente si se quiere estudiar la síntesis tanto de ADN como de ARN en
una célula?
A) Ribosa
B) Desoxirribosa
C) Uracilo
D) Adenina
E) Timina
6. Si durante la transcripción se incorpora a un cultivo celular adenina marcada
radiactivamente, entonces la marca aparecerá en
I. Los ribosomas
II. El ARNm
III. La proteína formada.
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) I y II
E) I, II y III
7. A partir de la siguiente secuencia de ADN molde: 3’ – ACG GTA TCA – 5’
¿Cuál sería la secuencia del ARN de transferencia (ARNt) resultante de su
transcripción?
A) 5’ ACG GTA TCA 3’
B) 5’ ACT ATG GCA 3’
C) 5’ UGC CAU AGU 3’
D) 5’ UGA UAC CGU 3’
E) 5’ ACG GUA UCA 3’
9
Guía N° 3 2012
8. Durante la replicación del DNA, la enzima que polimeriza la nueva hebra de
ADN es:
A) Helicasa
B) ADN pol. I
C) ADN pol. II
D) ADN pol. III
E) Girasas
9. Es correcto afirmar que:
A) La Timina se une con la Guanina
B) La síntesis de proteínas ocurre exclusivamente en el núcleo
C) La replicación del ADN es conservativa
D) En la maduración los exones se conservan en el ARNm
E) Watson describe la molécula de ADN a través de la reflexión de los rayos X
10. Si un aminoácido está codificado en el ADN por el triplete ATG, ¿Cuál es el
anticodón del ARNt que lo transporta en el citosol?
A) ATG
B) TAC
C) AUG
D) UAC
E) ATC
10