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DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA
IES JULIÁN ZARCO
TEMA 18. EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA.
1. EXPRESION DE LA INFORMACION GENETICA
Hoy se sabe que el ADN es la molécula que lleva la información genética que
determina la síntesis de las proteínas, entre ellas las enzimas, responsables de
las características estructurales y funcionales de un organismo.
En 1948 Edward Tatum y George Beadle después de diversos experimentos
realizados con el moho Neurospora crassa, fueron los primeros en establecer la
existencia de una relación directa entre el ADN y la secuencia de aminoácidos de
un enzima y enunciaron la hipótesis “un gen un enzima”. Según esta hipótesis
cada gen (fragmento de ADN) contiene la información para que los aminoácidos
se unan en un determinado orden y formen una enzima.
Posteriormente esta hipótesis fue ampliada enunciándose “un gen una
proteína”, ya que el gen puede codificar una proteína cualquiera no
necesariamente enzimática. Hoy se ha corregido y debido a que muchas
proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica, resulta más
apropiado “un gen una cadena polipeptídica” es decir cada gen codifica, lleva
información para la síntesis de una cadena polipeptídica. Quedaba claro que la
expresión del mensaje consistía en la síntesis de proteínas específicas, pero no
se conocía el mecanismo mediante el cual se realizaba.
2. FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA.
En 1970 Francis Crick (uno de los descubridores de la doble hélice del ADN)
enunció el dogma central de la Biología molecular que nos indica como fluye la
información genética, este dogma dice lo siguiente: El ADN es la molécula que
lleva la información genética, puede replicarse y hacer copias de sí mismo
permitiendo que esta información pase completa de unas células a otras
cuando se divide, igualmente puede copiar una parte de su información
sintetizando una molécula de ARNm, la cual constituye la información
utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína.
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Transcripción
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traducción
ADN  ARNm  proteína
Es decir la información contenida en el ADN se transforma en una determinada
proteína. Este proceso no se realiza de forma directa sino que en él se
diferencian dos etapas:
-Transcripción: En esta etapa se copia la información de un fragmento del ADN,
el correspondiente a un gen, al ARNm. Por lo que se sintetiza una molécula de
ARNm complementaria con el fragmento de ADN correspondiente al gen.
-Traducción: En ella la secuencia de nucleótidos del ARNm se traduce en una
determinada secuencia de aminoácidos. En esta etapa interviene además el
ARNt.
En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción se producen a la
vez y en el mismo lugar, pues el ADN forma un cromosoma desnudo disperso por
el citoplasma y, según se transcriben los genes que contienen información para la
síntesis de ARNm, los ribosomas los van traduciendo.
En los organismos eucariotas, la transcripción y la traducción están separadas
en el tiempo y en el espacio: el ADN se transcribe en el núcleo, y los ARNm
formados atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma donde los
ribosomas los traducen.
No todos los genes llevan información para la síntesis de proteínas; algunos solo
se transcriben y no se traducen, ya que solo son portadores de información para
la síntesis de determinados tipos de ARN, como ARNt y ARNr, que colaboran,
junto con el ARNm en la síntesis de proteínas. Los genes que poseen información
directa para la síntesis de proteínas son los que al transcribirse dan moléculas de
ARNm.
En los procariotas los genes son unidades continuas, mientras que en los
eucariotas están fragmentados, es decir están constituidos por fragmentos
carentes de información llamados intrones intercalados con otros que si tienen
información llamados exones.
Además tanto en procariotas como en eucariotas existen secuencias que no se
transcriben, pero desempeñan un papel importante en la regulación de la
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expresión génica ya que constituyen las señales que indican el inicio o el final
de un gen, que se va a transcribir.
En la actualidad este dogma ha tenido que ser modificado debido al
comportamiento de algunos virus que tienen ARN como material genético.
Los retrovirus (VIH) que llevan la información en el ARN, poseen una enzima
llamada retrotranscriptasa o transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir
de ARN vírico, a este proceso se le llama retrotranscripción.
Igualmente algunos virus que llevan ARN como material genético, poseen un
enzima la ARN replicasa capaz de replicar el ARN. Por todo ello el dogma
central de la biología quedaría de la siguiente forma.
Transcripción
ADN  ARN
Traducción
 Proteína
Retrotranscripción
3. TRANSCRIPCION
Es el proceso mediante el cual se copia la información (secuencia de
nucleótidos) de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, en el
ARN. Por consiguiente mediante la transcripción se va a sintetizar una molécula
de ARN.
En este proceso intervienen unas enzimas llamadas ARN-polimerasas o ARNpol que tienen las siguientes características:
-Utilizan como molde una de las cadenas del fragmento de ADN y la van leyendo
en sentido 3’5’ y van uniendo ribonucleótidos en sentido 5'3', teniendo en
cuenta su complementariedad con los nucleótidos de la cadena del segmento de
ADN que se utiliza como molde (hay que tener presente que en el ARN la base
complementaria de la adenina es el uracilo).
-En el proceso para formar el ARN se utilizan ribonucleótidos trifosfatos (ATP,
GTP, CTP y UTP). .La energía necesaria para crear el enlace que une a los
ribonucleótidos se obtiene de la hidrólisis de los mismos. Cada ribonucleótido
trifosfato se hidroliza dando un grupo P-P, energía y un ribonucleótido
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monofosfato que se unirá mediante un enlace éster a la cadena de ARN en
formación.
La cadena de ARN se sintetiza en sentido 5'3' y la secuencia de este ARN
transcrito será complementaria a una de las cadenas del gen, a la que se
tomo como molde, e idéntica a la otra que no se transcribió.
En los procariotas sólo existe un tipo de ARN-polimerasa que sintetiza los tres
tipos de ARN. En los eucariotas existen 3 tipos de ARN-polimerasa: ARN-pol I,
sintetiza los ARNr; ARN-pol II, sintetiza los ARNm y ARN-pol III, sintetiza los ARNt.
En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados, los ARN
transcritos tienen que pasar por un proceso de maduración para convertirse en
ARN funcionales.
La transcripción en los eucariotas ocurre en el núcleo y es similar a la de los
seres procariotas, en ella se diferencian cuatro etapas: iniciación, elongación,
terminación y maduración.
Iniciación
El proceso comienza cuando la ARN-pol reconoce en el ADN que se va a
transcribir una región que indica el inicio del proceso. Esta región se denomina
región promotora, esta formada por una determinada secuencia de nucleótidos,
en la que abundan la A y la T En la síntesis del ARNm y en eucariotas se han
identificado dos regiones promotoras (TATA y CAAT). A esta región se une la
ARN-pol. y desenrolla una vuelta de hélice al ADN con lo que la hebra del ADN
que actuará como molde queda al descubierto y podrá ser leida por el enzima.
Elongación
En esta etapa se van añadiendo los ribonucleótidos y la cadena de ARN se va
formando. El proceso ocurre de la siguiente manera: la ARN-pol, se desplaza por
la hebra molde y va leyendo la secuencia de nucleótidos en sentido 3'5' y va
añadiendo ribonucleótidos complementarios con ellos a la cadena de ARN que se
esta formando, los cuales se unirán en sentido 5'3' mediante enlaces éster. A
medida que la enzima se desplaza, el ADN recupera su forma inicial de doble
hélice.
En los eucariotas en la formación del ARNm cuando se han transcrito los 30
primeros nucleótidos del gen, al ARNm en formación se le añade en el extremo 5'
un nucleótido especial metil-guanosina-trifosfato que forma una especie de
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caperuza que servirá para que sea reconocido por los ribosomas como el
extremo por donde se debe iniciar la traducción.
Terminación
La ARN-pol continúa añadiendo ribonucleótidos a la cadena de ARN en
formación hasta que reconoce en la cadena de ADN una señal de terminación
que indica el final de la transcripción.
En procariotas esta señal es una secuencia palindrómica (tiene la misma
lectura de izquierda a derecha que al revés, y es rica en G y C)
En eucariotas la secuencia terminadora es TTATTT. A continuación en la
formación del ARNm actúa otra enzima llamada poli-A polimerasa que añade al
extremo 3' del ARNm recién formado una cola poli-A, formada por fragmento de
unos 200 nucleótidos de adenina que colaboran en su transporte a través de la
membrana nuclear.
Maduración
Son las transformaciones que sufren los ARN transcritos para hacerse
funcionales.
En los procariotas, las moléculas de ARNm transcritas no necesitan ninguna
transformación previa a la traducción. Sin embargo los ARNr y los ARNt precisan
de un proceso de maduración para convertirse en ARNr y en ARNt funcionales, en
este proceso se cortan en fragmentos más pequeños.
En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados (contienen exones
e intrones), los ARNm transcritos tienen intercalados intrones (fragmentos sin
información) y exones (fragmentos con información), por ello necesitan pasar por
un proceso de maduración en el cual se eliminan los intrones y los exones se
unen entre sí formándose ARNm funcional, a este proceso se le denomina de
corte
y
empalme
y
en
él
intervienen
unas
enzimas
llamadas
ribonucleoproteinas pequeñas nucleolares o espliceosomas. Los ARNr y los
ARNt también sufren un proceso de maduración. En él los ARNt se modifican
algunas de sus bases introduciendo diversos radicales y se añade el triplete CCA
al extremo 3’.
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4. CODIGO GENETICO
La información que lleva el ADN esta determinada por la secuencia de
nucleótidos. Watsón y Crick señalaron que esta secuencia de nucleótidos debía
determinar la secuencia de aminoácidos de la proteína. La información del ADN
se transcribe (copia) al ARNm y este es el que determina la secuencia de
aminoácidos de la proteína.
Por lo tanto debe de existir una relación entre los nucleótidos (bases) del ARNm y
los aminoácidos de la proteína, esa relación constituye el código genético. El
código genético es por tanto la clave que permite transformar la información
genética que está codificada en un lenguaje de 4 letras (A,G,C,U) a un lenguaje
de 20 letras distintas los aminoácidos.
El físico Gamow formulo la hipótesis de que el código genético esta formado
por tripletes de nucleótidos a los que se denomino codones, cada uno de los
cuales codifica un aminoácido. El razonamiento que realizo fue el siguiente:
Si los codones estuviesen formados por una sola base, solo habría 4 codones
distintos, como hay 20 aminoácidos distintos, un mismo codón tendría que
determinar varios aminoácidos, lo cual haría que una misma información se
tradujese de forma diferente.
Si los codones estuviesen formados por dos bases, el nº de codones diferentes
serian VR24 = 42 = 16 con lo cual pasaría lo mismo.
Si los codones están formados por 3 bases el nº de ellos seria 43 = 64
suficientes para que haya codones diferentes para codificar todos los
aminoácidos.
Posteriormente se descifro el código, es decir se descubrió que aminoácido
codifica cada codón del ARNm, en ello desempeñaron un papel importante
Severo Ochoa y Nieremberg y otros.
El código genético podemos definirlo como el conjunto de tripletes de
nucleótidos del ARNm, denominados codones que codifican todos los
aminoácidos. Presenta las siguientes características:
El código es universal, es decir es igual en todos los seres vivos. Por lo tanto un
determinado codón codifica el mismo aminoácido en todos los organismos. Esto
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es una prueba del origen común de todos los seres vivos. Hoy día se han
detectado algunas excepciones en protozoos.
El código esta degenerado, es decir hay más codones que aminoácidos lo que
significa que un mismo aminoácido esta determinado por más de un codón. Los
codones distintos que codifican un mismo aminoácido se llaman sinónimos, solo
suelen variar en el último nucleótido. Además hay 3 codones que no codifican
aminoácidos y se llaman codones sin sentido o mudos determinan el final de la
síntesis y hay un codon (AUG) que codifica la metionina y determinan el inicio.
El que haya codones sinónimos puede resultar ventajoso ya que si se produce
algún cambio en algún nucleótido (mutación) puede no tener consecuencias
No presenta solapamiento. Los codones se disponen linealmente unos a
continuación de otros sin que entre ellos haya espacios ni se solapen, es decir
compartan ningún nucleótido. Se leen en un único sentido 5’3’.
5. TRADUCCIÓN.
Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm, es decir la
secuencia de codones del ARNm se traduce en una determinada secuencia de
aminoácidos, es decir en una determinada proteína. En este proceso interviene el
ARNt que se encarga de transportar los aminoácidos, que están libres en el
citoplasma, hasta los ribosomas y allí son dispuestos en el orden que determina
los codones del ARNm.
Los ARNt en el brazo del anticodón tienen un triplete de bases denominadas
anticodón que es complementario con algún codón del ARNm, este triplete
anticodón es el que va a determinar que aminoácido se une a cada ARNt. Estos
aminoácidos se unen al ARNt por el extremo 3' que se localiza en el brazo
aceptor.
La traducción ocurre en los ribosomas y es similar en los procariotas y en los
eucariotas, en el se diferencian varias etapas:
Activación de los aminoácidos, iniciación de la síntesis, elongación de la
cadena y terminación de la síntesis.
Activación de los aminoácidos
Esta es una etapa previa a la traducción que ocurre en el citoplasma. En este
proceso los aminoácidos que van a formar las proteínas se unen con los
correspondientes ARNt por su brazo aceptor, formándose los complejos
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aminoacil-ARNt. Esta etapa requiere energía que se obtienen de la hidrólisis del
ATP y está catalizada por una enzima específico para cada aminoácido llamada
aminoacil-ARNt-sintetasa
Inicio de la síntesis.
Para que comience la síntesis de proteínas hacen falta dos señales de
iniciación: la caperuza de metil guanosina del ARNm que indica al ribosoma
porque extremo se empieza a leer el ARNm y el triplete iniciador AUG, que
codifica el primer aminoácido. Por lo tanto la traducción comienza por el triplete
AUG más próximo a la caperuza.
-En primer lugar el ARNm por el extremo 5’ se une a la subunidad menor del
ribosoma, la síntesis se inicia cuando aparece el codón iniciador (AUG), ya que
entonces el primer aminoacil-ARNt cuyo anticodón sea complementario con este
codón iniciador se unirá a él por puentes de hidrógeno, formándose el complejo
de iniciación. Siempre el primer aminoacil-ARNt es el que lleva el aminoácido
metionina, por ello todas las proteínas comienzan por este aminoácido, aunque
en muchos casos este aminoácido posteriormente se elimina.
-Este proceso está catalizado por acción de unos factores proteicos llamados
factores de iniciación (FI), en el se consume energía que se obtiene de la
hidrólisis del GTP. Al final de esta etapa al complejo de iniciación se le une la
subunidad mayor del ribosoma formándose el ribosoma completo y funcional.
En el ribosoma existen dos sitios de fijación en los que se unen los aminoacilARNt:
El sitio P o peptidil es lugar de unión del primer aminoacil-ARNt (ARNtmetionina). En este lugar es donde se localiza el ARNt que lleva unida la cadena
peptídica en formación
El sitio A o aminoacil que es donde se unirán los nuevos aminoacil-ARNt.
Fase de elongación de la cadena peptídica
Esta fase consiste en el alargamiento de la cadena peptídica por la unión de
sucesivos aminoácidos. Se puede considerar como un proceso cíclico que se
repite hasta que termina la traducción. En cada uno de estos ciclos de elongación
se diferencian tres fases sucesivas:
-Primera fase: El sitio P está ocupado inicialmente por el ARNtMet, y al sitio A, que
está vació llega el siguiente aminoacil-ARNt cuyo anticodón es complementario al
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siguiente codón del ARNm, este traerá su correspondiente aminoácido. En esta
etapa se necesita energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP e interviene un
factor de elongación (FE-1).
-Segunda fase: Ahora se rompe el enlace entre el aminoácido y el ARNt que esta
situado en el sitio P, y entre este aminoácido y el aminoácido que esta unido al
ARNt que se encuentra en el sitio A se forma un enlace peptídico. Esta reacción
es catalizada por la enzima peptidil transferasa. El resultado es la formación de
un dipéptido unido a un ARNt que se aloja en el sitio A, mientras que en el sitio P
queda un ARNt sin aminoácido.
-Tercera fase: Gracias a la intervención de un segundo factor de elongación (FE2) y a la energía del GTP, el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos a lo largo del
ARNm en sentido 5'-3'. Este desplazamiento provoca la salida del ARNt libre
situado en el sitio P y la translocación del complejo peptidil-ARNt-ARNm del
sitio A al sitio P, con lo cual el sitio A queda vació y dispuesto a recibir a otro
amioacil-ARNt cuyo anticodón sea complementario del siguiente codón. El
proceso se vuelve a repetir.
Terminación:
La síntesis termina cuando después de la última traslocación aparece en el sitio A
uno de los codones de terminación (UAA, UAG o UGA) ya que no hay ningún
ARNt cuyo anticodón sea complementario con estos codones.
Al codón de terminación se le une un factor de terminación (RF) que hace que
la peptidil transferasa por hidrólisis separe la cadena peptídica recién formada del
ARNt, provoca la salida del ARNt libre, del ARNm y la separación de las dos
subunidades del ribosoma. En esta etapa se gasta energía que procede del GTP.
Tanto en eucariotas como en procariotas el ARNm puede ser leído por varios
ribosomas a la vez formándose un polisoma, como consecuencia se sintetizan
varias moléculas de la misma proteína. La proteína a medida que van saliendo
del ribosoma va adquiriendo su estructura secundaria y terciaria.
El ARNm una vez leído por los ribosomas se destruye por lo que dura muy poco
tiempo.
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6. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La síntesis proteica no tiene lugar de forma continua, sino que las células solo
sintetizan las proteínas que necesitan en cada momento, por ello debe de
existir un control en la expresión génica. La regulación de la expresión génica
se realiza principalmente en el proceso de transcripción.
Regulación en procariotas.
La regulación de la expresión génica en los procariotas sigue el modelo del
operón, que fue descrito por Jacob y Monod a principios de los 60.
Un operón consta de los siguientes elementos:
-Promotor. Es la secuencia de nucleótidos del ADN a la que se une la ARNpolimerasa para iniciar la transcripción del gen o de los genes.
-Genes estructurales. Son los que codifican la síntesis de las proteínas
(enzimas) que intervienen en un mismo proceso metabólico. Se transcriben sin
interrupción, de manera que el ARNm resultante lleva información para varias
proteínas y se denomina ARNmpolicistrónico.
-Gen operador. Es la secuencia de nucleótidos del ADN a la que se puede unir
una proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales.
Se sitúa entre el promotor y los genes estructurales.
-Gen regulador. Se puede localizar en cualquier lugar del cromosoma.
Codifica la proteína reguladora que actúa de represor, cuando esta se une al
operador impide que la ARN-polimerasa se pueda unir al ADN y con ello
imposibilita la transcripción, cuando se separa la transcripción es posible.
Regulación en eucariotas.
La regulación en los organismos eucariotas, especialmente en los pluricelulares
es más compleja y peor conocida.
La regulación se realiza al inicio de la transcripción. Los mecanismos utilizados
actúan sobre la actividad de la ARN-polimerasa, cuya capacidad de iniciar la
transcripción depende de:
-La separación de las histonas asociadas al ADN en los nucleosomas para
facilitar el acceso de la ARN-polimerasa.
-La existencia de factores activadores que responden a diversas señales intra y
extracelulares. Entre la últimas cabe citar las hormonas. Estas provocan
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respuestas concretas en las células diana. El mecanismo de acción depende del
tipo de hormonas.
Las hormonas esteroideas, por su naturaleza lipídica penetran dentro de la
célula y tras su unión con ciertas proteínas citoplasmáticas receptoras, pasan al
núcleo y allí se fijan a determinadas secuencias del ADN induciendo la
transcripción de determinados genes.
Las hormonas peptídicas, no atraviesan la membrana, sino que se unen a
receptores específicos presentes en ella, lo cual provoca la activación de la
enzima adenilato ciclasa que cataliza la síntesis de AMPc a partir de ATP. Este
AMPc actúa como un mensajero intracelular y activa proteínas reguladoras de la
transcripción.