Download 2. Las hormonas hidrófilas o protéicas se unen a

TEMA 8. EXPRESIÓN GÉNICA: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
8.1 INTRODUCCIÓN HISTÓRICA
Una vez sabido que el ADN contenía la información hereditaria, había que saber cómo
una molécula de ADN puede dirigir la construcción de un ser vivo.
Beadle y Tatum (1940) dedujeron de sus experimentos, provocando mutaciones en el
moho rojo del pan (Neurospora crassa) dedujeron que la alteración de un gen suponía
un fallo en el funcionamiento de una enzima. Postularon que “Un gen codifica una
enzima”. Posteriormente se ha matizado “Un gen codifica una proteína” y más
exactamente “Un gen codifica un polipéptido”.
8.2 TRANSCRIPCIÓN
Como el ADN se encuentra en el núcleo y las proteínas se sintetizan en el citoplasma,
resultó evidente que tenía que existir un intermediario entre los genes del núcleo y los
ribosomas donde se sintetizan las proteínas.
El intermediario es el ARNm que transporta la información de los genes a las proteínas.
Para esto es necesario que se sintetice ARNm a partir de un molde de ADN.
La trascripción es la síntesis de ARNm a partir de un molde de ADN.
 Características de la Transcripción
Ocurre en el interior del núcleo
La síntesis de produce por complementariedad. La cadena de ARN que se forma es
complementaria de un fragmento de una de las hebras de ADN ( C-G, A-U, T-A,
G-C ) denominada hebra molde.
Como requisitos necesita:
- Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas de ADN que
forman el gen SÓLO UNA se transcribe, mientras que la otra no lo hace.
- Enzimas: el proceso está catalizado por ARN-polimerasas. En procariontes sólo
existe una; en eucariontes existen 3 llamadas ARN-polimerasa I, II, y III. La I
interviene en la formación de ARNr, la II en la síntesis de todos los ARNm y la
III en la de ARNt y de untipo de ARNr.
- Ribonucleótidos de A, G, C, U, que se unen mediante un enlace ester entre el
grupo OH situado en posición 3´del último ribonucleótido de la cadena de ARN
en formación y el ácido fosfórico situado en la posición 5´ del ribonucleótido
trifosfato que se va a unir a la cadena en formación.
8.3.PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN
- Iniciación
El ADN posee en distintos lugares los llamados “centros promotores” cuyo función
es indicar cómo se inicia la transcripción y en cuál de las dos hebras. Están
constituidos por determinadas secuencias de bases (TATA).
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La ARN polimerasa reconoce el centro promotor se une a él y hace que la doble
hélice de ADN se abra para permitir que quede expuesta la secuencia de bases del
ADN molde que va a ser transcrita.
- Elongación
Es la adición de los sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN.
La ARN-polimerasa lee la cadena de ADN en sentido 3´ 5´ mientras que el
sentido de síntesis del ARN es 5´ 3´.
Se van añadiendo nucleótidos uno a uno en el extremo 3´de la cadena en
crecimiento. Es decir la enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es
complementaria con la de la cadena de ADN molde, y lo une mediante enlace ester
al OH situado en posición 3´de la cadena en crecimiento desprendiéndose un grupo
pirofosfato (PPi) .
En eucariontes tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade en el
extremo 5´ una “caperuza” formada por metil-guanosil-fosfato, que protege este
extremo del ataque de las nucleasas, y en la traducción será una señal de
reconocimiento de iniciación de la lectura.
- Terminación
Existen señales de terminación que indican el fin de la transcripción. Esto implica
el cierre de la burbuja formada en el ADN y la sepración de la ARN-polimeras, y
del ARN transcrito.
En procariontes la señal de terminación es una secuencia “palindrómica” (tiene la
misma lectura de izquierda a derecha y de derecha a izquierda) formada por G y C
seguidas de varias T que origina al final del ARN un bucle u horquilla por
autocomplementariedad de las bases G y C. Esto favorece su separación del ADN.
En eucariontes la ARN- polimerasa transcribe regiones de ADN largas que exceden
la longitud de la secuencia de que codifica la proteína.
En ciertos puntos una enzima corta el fragmento de ARN que lleva la información
para la síntesis de la proteína, del resto del ARN que sigue transcribiéndose. La
señal de corte esuna secuencia (AAUAA) que aparece en el ARN unos pocos
nucleótidos antes del punto de corte.
Después que el ARN se ha separado una enzima, la poli-A polimerasa, añade en el
extremo 3´una secuencia de unos 200 nucleótidos de adenina llamada cola poli-A,
que al parecer interviene en los procesos de maduración y transporte del ARN fuera
del núcleo.
- Maduración
A veces los ARNm transcritos no se pueden traducir directamente sino que
requieren un proceso previo de procesamiento o maduración postranscripcional.
En procariontes: El ARNm se traduce directamente y a partir de él se forma una
proteína funcional. No precisa maduración
En la transcripción de ARNt y ARNr se forma una molécula de ARN que contiene
muchas copias de ARNr o ARNt. Este transcrito denominado “primario” es cortado
en fragmentos más pequeños por enzimas específicas dando lugar a los distintos
ARNt o ARNr.
El ARNm puede ser Policistrónico es decir llevar información para la síntesis de
varias pro ARNm teínas.
En eucariontes: ARNm es Monocistrónico, lleva información para la síntesis de una
proteína.
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Cada gen consta de varios fragmentos denominados “intrones “ y “exones”
intercalados unos con otros.
Los intrones son secuencias de bases más o menos largas que se transcriben pero
que no se traducen, es decir, no codifican una secuencia de aa.
Los exones son secuencias que se transcriben y se traducen, es decir, tienen
información para formar una cadena polipeptídica.
El transcrito primario está formado por intrones y exones. Su maduración consiste
en eliminar los intrones y unir los exones mediante un mecanismo que se
denomina”empalme” o splicing.
El empalme requiere la enzima “ribonucleoproteína pequeña nuclear” RNPpn. Esta
proteína está formada por ARN por tanto es una ribozima.
- Comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que provocan
el acercamientode los extremos de los exones.
- A continuación se cortan los intrones
- Se unen los exones
En este momento el ARNm está preparado para salir del núcleo.
Los intrones no existen en procariontes y no se sabe el papel que cumplen en
eucariontes.
Si se sabe que un mismo gen puede madurar de diferentes maneras dependiendo de
cómo se eliminen los intrones
8.4 RETROTRANSCRIPCIÓN O TRANSCRIPCIÓN INVERSA
Se ha descubierto que los virus con ARN que producen tumores como el SIDA,
pueden producir una enzima denominada “transcriptasa inversa o
retrotranscriptasa” capaz de sintetizar una cadena de ADN complementaria del
ARN vírico.
También se ha descubierto que un pequeño número de virus bacteriofagos con
ARN, son capaces de autoduplicar o autorreplicar el ARN, según lo cual un ARN
puede actuar como molde y sintetizar una molécula idéntica a él. Estos fagos son
los más simples que se conocen.
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8.5 EL CÓDIOG GENÉTICO
El código genético trata de establecer una equivalencia entre el lenguaje del ARN
escrito con 4 bases nitrogenadas y el lenguaje de las proteínas escrito con 20 aa.
Como se conocen 20 aa diferentes se dedujo que tenían que ser tres nucleótidos los
que codificaran un aa.
Se conocen 64 tripletes, 61 codifican aa y 3 no tienen sentido, siendo tripletes de
terminación.
Al triplete de nucleótidos de ARNm se le denominó “codón”. Al triplete
complementario del codón en una zona específica del ARNt se le denominó
“anticodón”.
El código presenta las siguientes características:
- Es degenerado
Al haber muchos más tripletes que aa, cada aa ( a excepción de la metionina y el
tritófano) es codificado por más de un triplete., pero esto en realidad supone una
ventaja, puesto que un cambio de un nucleótido, en muchas ocasiones, puede no
alterar el orden de los aa en una proteína.
- Es universal,
Es decir el mismo código es empleado por todas las células de todos los
organismos vivos e incluso los virus.
- No presenta imperfección
Ningún codón codifica más de un aa.
- Carece de solapamiento
Los tripletes se hallan dispuestos de manera lineal y continúa sin que existan
entre ellos espacios y sin compartir ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace
en el sentido 5´.3´desde el inicio de la proteína hasta su final
8.6 SÍNTESIS DE PROTEÍNAS. TRADUCCIÓN
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Para que tenga lugar la síntesis de proteínas se necesita:
- Ribosomas, donde se realiza la síntesis
- ARNm que lleva la información para sintetizar la proteína
- Aminoácidos que son los componentes de las proteínas
- ARNt que aporta los aa necesarios en el orden preciso
- Enzimas y energía para toda reacción de biosíntesis
Los ribosomas son los orgánulos citoplasmáticos donde se lleva a cabo la síntesis .
Constan de dos subunidades una pequeña y otra grande, formadas por ARNr
específicos y por proteínas. Las subunidades se unen cuando van a sintetizar
proteínas. En la subunidad pequeña se une el ARNm mientras que en la grande se
unen los aa para formar la cadena polipeptídica.
Se conocen tres sitios de unión. El sitio P (peptidil) donde se sitúa la cadena
polipeptídica en formación.; el sitio A (aminoacil) donde entran los aa que se va a
unir a la cadena proteíca; y el sitio E donde se sitúa el ARNt antes de salir del
ribosomas.
Los ARNt son los encargados de transportar los aa hasta los ribosomas, y una vez
allí incorporarlos a la proteína en formación según la secuencia del ARNm. Hay
más de 20 ARNt diferentes , al menos uno por aa.
En el ARNt existen dos zonas importantes para su función, el anticodón formado
por 3 bases nitrogenadas complementarias con las bases que forman el codón en el
ARNm; y el extremo3´ al que se une el aa que corresponde al codón en el ARNm
En el proceso de traducción se diferencian las siguientes etapas:
 Activación de los aa
Consiste en la unión del aa con el ARNt correspondiente. La unión se produce entre
el grupo carboxilo del aa y el grupo OH del extremo 3´del ARNt, formándose un
aminoacil-ARNt. Esta reacción está catalizada por la enzima “aminoacil-ARNtsintetasa” y requiere energía que es aportada por una molécula de ATP.
Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasa, una para cada aa. Son muy
específicas .
 Fase de Iniciación de la síntesis
La subunidad pequeña del ribosoma se une a una molécula de ARNm cerca del
extremo 5´ exponiendo su primer codón que es el AUG (codón de iniciación).
A continuación entra en el lugar P el primer ARNt-aminoacil que se acopla con el
codón de iniciación por complementariedad, por lo que el anticodón del ARNt será
UAC. El ARNt lleva acoplado en su extremo 3´el aa metionina en eucariotas y el
N-formil metionina en bacterias.
La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt forman
el “complejo de iniciación”. A este después se une la subunidad grande del
ribosoma.
 Fase de Elongación
Se inicia cuando el 2º codón del ARNm está en el lugar A (aminoacil) y se une a él
el 2º ARNt con su aa específico, cuyo anticodón es complementario al codón del
ARNm.
A continuación se forma un enlace peptídico entre el aa situado en el sitio P y el
nuevo aa situado en el sitio A. La reacción está catalizada por la enzima “peptidil
transferasa” ( su actividad reside en el ARN que forma parte de esta subunidad por
lo que se piensa que puede ser una ribozima).
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Al formarse el enlace peptídico el ARNt situado en el sitio A, queda unido por su
extremo al dipétido formado y por el anticodón a su codón complementario.
A continuación se produce el desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en
sentido 5´-3´al siguiente codón, es decir este desplazamiento es de 3 bases. El
desplazamiento se denomina “traslocación”.
Al producirse la traslocación el primer ARNt sale del ribosoma y el ARNt que lleva
unido el dipétido pasa a ocupar el sitio P dejando el sitio A del ribosoma libre, para
la incorporación del siguiente aminoacil-ARNt por complementariedad codónanticodón.
Tras la incorporación del nuevo aminoacil-ARNt al lugar A se produce el enlace
peptídico entre el dipéptido y el nuevo aa, formándose un tripéptido que quedará
unido al último ARNt situado en el lugar A. Se producirá una nueva traslocación
repitiéndose el proceso hasta que la cadena peptídica esté terminada.
 Fase de Terminación
Se produce cuando el ribosoma llega a un lugar donde se localiza un codón de
terminación (UUA, UAG,AUG) que no es reconocido por ningún ARNt. Los
“factores de liberación” de naturaleza protéica se sitúan en el sitio A y hacen que la
peptidil-transferasa separe por hidrólisis la cadena polipeptídica del ARNt.
Una vez formada el polipéptido el ARNm, y el ARNt salen del ribosoma que se
disocia en sus dos subunidades hasta el momento de iniciar una nueva traducción..
En realidad la lectura de un ARNm no se realiza sólo por un ribosoma, sino que
grupos de ribosomas van leyendo una y otra vez la cadena de ARNm, formando
asociaciones llamadas polirribosomas o polisomas, con lo que se sintetizan
numerosas moléculas polipeptídicas de forma simultánea.
Las cadenas polipeptídicas adquieren su estructura secundaria y posteriormente
terciaria según van saliendo del ribosoma.
8.7. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
El ADN es una molécula capaz de replicarse debido a la complementariedad de las
bases. Además la información contenida en el ADN sirve para sintetizar proteínas.
La transcripción y la traducción son los procesos necesarios para la síntesis de
proteínas. En estos procesos intervienen el ARNm, ARNt y ARNr sin los cuales la
síntesis de proteínas.
El flujo de información genética se puede expresar:
ADN
Replicación

Transcripción
ARNm

Proteína
Traducción
En la actualidad esta forma de expresarlo ha sido modificada debido a los
mecanismos de replicación que presentan los virus, y se expresa:
Transcripción
ADN
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Traducción
ARN
Proteínas
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Replicación
Transcripción
Inversa
Replicación
8.8. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIONTES
Uno de los principios básicos del metabolismo celular es el de la economía. Así una
célula no sintetiza todas las proteínas que es capaz, sino sólo las que necesita en un
momento determinado y en las cantidades precisas.
El control se puede producir en muchos puntos del proceso biosintético, pero en las
procariotas tiene lugar principalmente en la transcripción.
Uno de los modelos mejor conocido es el del operón. Según este modelo los grupos
de genes que codifican para proteínas funcionales se disponen en unidades
conocidas como operones. Un operón comprende una serie de genes que son:
- El gen promotor (p):Secuencia de nucleótidos a la que se une la ARNpolimerasa para iniciar la transcripción de un gen o un conjunto de genes.
- Genes estructurales: Codifican la síntesis de las proteínas implicadas en el
mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción de manera que el
ARNm resultante lleva información para varias proteínas y recibe el nombre de
ARNm policistrónico.
- Operador: Secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes
estructurales.
- Gen regulador: Situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano y codifica
la proteína que actúa de represor. Cuando la proteína represora se une al
operador impide físicamente la unión de la ARN-polimerasa al ADN e
imposibilita la transcripción. Cuando el represor se separa la transcripción es
posible.
Se conocen dos sitemas basados en este modelo:
a) Sistema Inducible: El modelo del operón Lactosa.
Las enzimas inducibles se sintetizan cuando el ambiente suministra el sustrato para
ser degradado (catabolizado).
En el proceso catabólico de la lactosa intervienen 3 enzimas codificadas por genes
estructurales.
Cuando no hay lactosa en el medio el sistema permanece reprimido por la molécula
represora. Pero si existe lactosa en el medio, esta molécula se transforma en la
célula en un derivado (la alolactosa ) que se une al represor, modifica su estructura
y provoca con ello su retirada del operador. Así la ARN-polimerasa pude unirse al
ADN realizándose la trascripción de los genes estructurales que codifican las
enzimas que intervienen en el metabolismo de la lactosa.
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b) Sistema reprimible: El modelo del operón Triptófano.
Las enzimas repremibles se dejan de sintetizar cuando del producto final del
proceso deja de ser necesario existe en cantidad suficientes.
En el proceso de síntesis del aa Triptófano intervienen 5 enzimas codificadas por 5
genes estructurales.
El represor producto del gen regulador es inactivo, por tanto se sintetiza triptofano.
Cuando hay exceso de triptófano, este se une al represor activándolo (al triptófano
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se le denomina corepresor). El represor activo se une al operador y se impide así la
unión de la ARN-polimerasa y por tanto la transcripción de las enzimas necesarias
para la síntesis de triptófano.
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8.9. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIONTES
Las células eucariotas controlan su expresión génica en tres momentos:
A. Antes de la Transcripción
Durante la condensación de la cromatina. Se ha observado en levaduras que los
genes que se localizan en la heterocromatina, no se expresan ya que debido a su
compactación, las enzimas de transcripción no pueden acceder a los genes
B. Controles Transcripcionales
Los operadores son mas complejos y pueden unirse a distintos tipos de proteínas
reguladoras denominadas “Factores de transcripción”.
Estos se unen específicamente a secuencias del promotor impidiendo la unión de la
ARN polimerasa al promotor.
Regulación Hormonal
1.- Las hormonas esteroideas actúan como mensajeros químicos controlando la
expresión génica.
Estas atraviesan la membrana plasmática de sus células diana y en el citoplasma se
unen a una “proteína receptora”. Este complejo hormona-receptor entra en el núcleo
se une a la cromatina y regula la transcripción de genes cuyos productos pueden
activar determinados factores de transcripción; lo que impide la transcripción de
determinados genes.
2. Las hormonas hidrófilas o protéicas se unen a proteínas receptoras de la
membrana plasmática. Esta unión activa en el citoplasma a moléculas denominadas
segundos mensajeros” , principalmente al AMPcíclico. Este provoca una serie de
reacciones en el citoplasma cuya consecuencia final es el paso al núcleo de
proteínas (factores de transcripción) que alteran la expresión génica.
1. Eliminación alternativa de exones
A partir de un mismo ARNm primario se obtienen así diferentes ARNm que
codificarían proteínas distintas, dependiendo de qué segmentos de ADN se traten
como exones y cuales como intrones. Por tanto un mismo transcrito primario
puede generar proteínas distintas.
La actividad de la ribonucleoproteínas pequeñas nucleares RNPn regula
indirectamente la síntesis protéica
2. Estabilidad del ARNm
La cola Poli A contribuye a que las endonucleasas tarden mas en degradar el ARNm
Por tanto la adición de mas o menos poli A es una forma de regular los niveles de
ARNm
3. Traducción de ARNm
Los factores de iniciación de la traducción pueden ser modificados por la célula de
tal modo que se impida la síntesis de la proteína
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4. Procesamiento después de la Traducción
Algunos polipéotidos deben procesarse, o sufrir modificaciones químicas para
convertirse en proteínas funcionales.
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