TRASCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

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Índice: Los genes. Trascripción de la información genética. El código genético. Traducción de la información genética (síntesis de proteínas).
3.4) TRASCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE PROTEÍNAS). CONCEPTO MOLECULAR DEL GEN. ESTRUCTURA DE LOS GENES EN EUCARIOTAS Concepto molecular de gen: La mayoría de los genes son fragmentos de la molécula de ADN que determinan la síntesis de una proteína, otros realizan funciones reguladoras. Estructura de los genes en eucariotas: La estructura de los genes en eucariotas es compleja. La secuencia de nucleótidos que constituye un gen, y los propios genes entre sí, no se disponen linealmente en los cromosomas sino espaciados por fragmentos de ADN que no poseen información que pueda ser transcrita. En todo gen, además, distinguiremos las siguientes regiones: - La región promotora o promotor (P) - La región codificadora (C) - La región terminadora o terminador (T) a)La región promotora es una porción del ADN situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aminoácido, sirve para que las enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen. b)La región codificadora es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. En la región codificadora van a existir fragmentos de ADN que no contienen información: los intrones, y fragmentos que sí que contienen información: los exones. c)La región terminadora. Marca el final del gen. TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN El ADN se encuentra en el núcleo celular y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma, en el hialoplasma concretamente. Es por esto que la información contenida en la estructura primaria del ADN debe transcribirse a una molécula de ARN denominada ARN mensajero (ARNm). También se sintetizan en el núcleo el ARNr y el ARNt, necesarios para la síntesis proteica. Los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la transcripción de la información genética. MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS Destaquemos, en primer lugar, que para cada gen, sólo una de las cadenas, de las dos que posee el ADN, se transcribe. El mecanismo se realiza de la siguiente manera: 1. Iniciación: Una ARN‑polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN 2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5'>3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil‑GTP en el extremo 5'. Esta cabeza parece tener una función protectora para que las enzimas exonucleasas que destruyen los ARN no lo ataquen. Una vez que esto ha ocurrido, continúa la síntesis del ARN en dirección 5'>3' 3. Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen, finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poliA‑polimerasa añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN, llamado ahora ARNm precursor, se libera. 4. Maduración: El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN‑ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro. Todo esto se ha producido en el núcleo celular. El ARNm maduro, que a partir de ahora será simplemente el ARNm o, también, el transcrito, pasará al hialoplasma donde su información servirá para la síntesis de una proteína concreta. Esto es, la información que se encuentra en forma de una cadena de nucleótidos se traducirá a una cadena de aminoácidos. LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS 1) En los procariotas el ARNm no tiene ni caperuza ni cola. 2) Tampoco tiene intrones y por lo tanto no requiere de un mecanismo de maduración. 3) Al mismo tiempo que el ARNm se transcribe se está ya traduciendo. 4) Los genes son policistrónicos, esto es, un ARNm contienen información para varias proteínas. EL CÓDIGO GENÉTICO El ARNm tiene una estructura primaria complementaria de una de las cadenas del ADN. Esta disposición de las bases nitrogenadas en el ARNm es la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína. CRICK demostró que los aminoácidos en las proteínas van a estar codificados por secuencias de tres bases nitrogenadas consecutivas de las cadenas de ARNm, a partir de la secuencia de iniciación AUG. Cada una de estas secuencias de tres bases se llaman tripletas o codones. Debe de tenerse en cuenta que, al haber en las proteínas 20 aminoácidos distintos, una o dos bases no serían suficientes para codificarlos. Al tener los ácidos nucleicos cuatro bases diferentes (la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo), que representaremos por A, G, C y U respectivamente, existirán 64 codones o combinaciones de tres bases y como solamente hay 20 aminoácidos distintos, se deduce, que varias tripletas codificarán un mismo aminoácido. Este código, que relaciona la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas, recibe el nombre de código genético. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO 1- El código genético es universal. Todos los seres vivos lo emplean; con ciertas excepciones, por ejemplo, el de las mitocondrias, que tiene algunas diferencias. 2- Se trata de un código degenerado pues el número de tripletas (64) es superior al de aminoácidos existentes en las proteínas (20). 3- Existen tres tripletas que no codifican ningún aminoácido, son las tripletas "sin sentido", de "paro" o "stop". Estas tripletas marcan el final de la región a traducir, esto es, el final de la molécula proteica. 4- La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aminoácido metionina. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por la metionina. Ahora bien, posteriormente, esta metionina que ocupa la posición inicial puede ser eliminada. Nota: En 1955 Ochoa publicó en Journal of the American Chemical Society con la bioquímica francorrusa Marianne Grunberg-Manago, el aislamiento de una enzima del colibacilo que cataliza la síntesis de ARN, el intermediario entre el ADN y las proteínas. Los descubridores llamaron «polinucleótido-fosforilasa» a la enzima, conocida luego como ARN-polimerasa. El descubrimiento de la polinucleótido fosforilasa dio lugar a la preparación de polinucleótidos sintéticos de distinta composición de bases con los que el grupo de Severo Ochoa, en paralelo con el grupo de Marshall Nirenberg, llegaron al desciframiento de la clave genética. (Wikipedia). En 1959 Severo Ochoa y su discípulo Arthur Kornberg recibieron el premio novel de Medicina o Fisiología. MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. Consiste en la síntesis de una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. Se trata de un proceso que se produce en el hialoplasma. Consta de las siguientes fases: 1) Activación de los aminoácidos: La formación del enlace peptídico es un proceso endergónico. Para que pueda realizarse, los aminoácidos (aa) deben de ser activados, activación que se realiza por medio del GTP según la siguiente ecuación: aa + GTP ð aa-GMP + PPi Los aminoácidos activados se unen a una molécula de ARNt (ARN de transferencia). Estos polinucleótidos poseen en su estructura una secuencia de tres bases, el anticodón, complementaria de los correspondientes codones o tripletas del ARNm. Cada aminoácido se une, por lo tanto, a un ARNt específico, que será aquel que lleve el anticodón correspondiente. 2) Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta que al llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína, se les une el complejo formado por el ARNt-metionina. La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta el aminoácido. Por último, se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma. 3) Elongación. Consta de los siguientes pasos: a) El complejo ARNt-aminoácido 2 (ARNt-aa2) se sitúa enfrente del codón correspondiente. La región del ribosoma en la que se une se le llama región aminoacil (A). b) Se forma el enlace peptídico y la metionina se une al segundo aminoácido (aa2). c) El ARNm se traslada como la cinta de una máquina de escribir y el complejo ARNt2-aa2-met queda situado en la región peptidil del ribosoma y la posición aminoacil queda libre para la entrada del complejo ARNt-aa3. El ARNt de la metionina se libera. De esta manera se van a ir añadiendo el resto de los aminoácidos que constituyen la proteína hasta llegar al codón de finalización. 4) Finalización: Cuando el ribosoma llega al codón de finalización, uno de los codones sin sentido: UAA, UAG, UGA, la proteína se libera y las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm. La estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas se va adquiriendo según estas se van sintetizando Es de destacar, que varios ribosomas, de 4 a 6, a veces incluso 100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una cadena de ARNm. La función de los ribosomas no se conoce con exactitud, pero, podría ser, la de recibir las instrucciones genéticas y traducirlas a proteínas. Para ello es necesario que se unan al ARNm, procesen la información, incorporen los aminoácidos y los unan entre sí mediante enlaces peptídicos. Síntesis de un péptido
REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Ahora bien, no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular. Muchos genes no actúan nunca y otros actúan sólo en determinados momentos, pudiendo permanecer durante largos periodos de tiempo inactivos. Para poder comprender el mecanismo de acción de los genes veamos a continuación estos dos modelos de regulación. I) Regulación de la actuación del operón LAC en la bacteria Escherichia coli La ß-galactosidasa es una enzima que rompe el enlace O-glicosídico entre la galactosa y la glucosa en la lactosa. Si no hay lactosa en el medio, E. coli apenas dispone de unas pocas moléculas de enzima, una o dos solamente. Sin embargo, si añadimos lactosa al medio donde se encuentra la bacteria, al cabo de unos pocos minutos, los niveles de ß-galactosidasa suben hasta alcanzar las 5000 moléculas por célula, aproximadamente. Aparecen además otras dos enzimas: una permeasa que facilita la absorción de la lactosa a través de la membrana plasmática de la célula y una transacetilasa, necesaria también para el metabolismo de la lactosa. Jacob y Monod interpretaron estos resultados planteando la hipótesis del operón. Según esta hipótesis la actividad de varios genes que codifican enzimas relacionadas entre sí, genes estructurales, sería desencadenada por la acción de un gen operador contiguo a los genes estructurales en la molécula de ADN. El conjunto formado por los genes estructurales y el gen operador recibe el nombre de operón. Si el gen operador se encuentra libre, los genes estructurales se transcriben. A su vez, el gen operador estaría controlado por un gen regulador, que puede estar situado lejos del operón. Este gen va a sintetizar un ARNm que servirá para la síntesis de una proteína: el represor. Si el represor se encuentra activo se unirá al gen operador inhibiéndolo, con lo que los genes estructurales no se transcribirán. Imagen Gif Imagen Gif animación: 140 KB El operón LAC en E. coli constaría de tres genes estructurales que codificarían respectivamente: la ß-galactosidasa (gen z), la permeasa (gen y) y la transacetilasa (gen a). Si no hay lactosa en el medio, el gen regulador se traduciría en una proteína, el represor, con dos centros activos. Por uno de ellos sería capaz de unirse al gen operador inhibiendo la síntesis de los ARNm codificados por los genes estructurales z, y, a. Por el otro centro activo podría unirse a la lactosa cuando la hubiese. La lactosa cambiaría la estructura del represor inactivándolo e impidiendo que éste pudiese unirse al gen operador. De esta manera los genes estructurales se transcribirían produciéndose la síntesis de las tres enzimas que metabolizan la lactosa en E. coli. II) Los operones reprimibles. Como es el caso de la regulación de los genes responsables de los procesos de síntesis. Supongamos que la célula necesita producir una determinada cantidad de triptófano, un aminoácido, y que no interesa que haya un exceso ni que falte. Supongamos también que para triptófano se necesitan tres enzimas: a, b y c codificadas por tres genes: a, b y c. En estos casos, la proteína que actúa como represor del gen operador se encuentra normalmente en estado inactivo, permitiendo que los genes a, b y c se transcriban y que el triptófano se sintetice. Cuando este alcanza unos niveles elevados, se une al represor, activándolo. El represor activo se une al operador y los genes estructurales a, b y c no se transcriben. Esto hace descender la triptófano, con lo que el represor vuelve a estar inactivo, los genes estructurales vuelven a traducirse y vuelve a sintetizarse. De esta manera la célula mantiene unas determinadas cantidades de triptófano. Imagen Gif Imagen Gif animación: 140 KB Como se ve, se trata de un mecanismo que funciona como un termostato, manteniendo unos niveles adecuados de una determinada sustancia, en este caso el triptófano, necesaria para la célula. http://www.iespando.com/web/departamentos/biogeo/web/departamento/2BCH/B4_INFORMACION/T404_TRAS_TRADU/informacion.htm