EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA La transmisión de la información: el dogma central de la biología

Dos problemas que se plantearon, una vez conocida la estructura del ADN, fueron: ¿cómo se transmite la información de una a la siguiente generación celular? y ¿cómo el ADN puede dirigir la construcción y el funcionamiento de un ser vivo?

La respuesta constituye lo que hoy se llama el dogma central de la biología. El ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular mediante un proceso de replicación; además, transmite su información a una molécula de ARNm por el proceso de transcripción y el ARNm lo transmite a una secuencia de aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción.

Este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son la transcripción inversa y la autorreplicación del ARN, ambos encontrados en ciertos grupos de virus que tienen como material genético ARN y no ADN.

DIFERENCIAS ENTRE REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN

REPLICACIÓN TRANSCRIPCIÓN

Concepto: Formación de ADN a partir del ADN Concepto: Formación de ARN a partir de ADN

Total: Se replica todo el ADN de cada célula Selectiva: Solo se transcriben algunas regiones de ADN (gen)

Se replican las dos hebras de ADN Se transcribe una sola hebra de ADN

Sólo una replicación antes de cada división celular (fase S) Reiterativa: un gen se transcribe muchas veces (todo el ciclo)

Mecanismo y etapas de la transcripción del ARN-m: Para que se lleve a cabo la transcripción del DNA en las células se requieren los siguientes elementos:

ADN original que servirá de molde para ser copiado (se copia una sola cadena) Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia. ARN-polimerasa: sintetiza el ARN a partir del molde del ADN. Realiza las siguientes funciones: Identifica y se une a determinadas secuencias de ADN, llamados centros promotores, que indican el inicio de la transcripción y

la cadena que se transcribe Una vez fijada al ADN, produce el desenrollamiento de la doble hélice. Va leyendo la secuencia de nucleótidos en dirección 3´ 5´, y añade ribonucleótidos complementarios en dirección 5 3’.

El complementario de A ----U Utiliza ribonucleótidos trifosfato, que al unirse se hidrolizan, para obtener la Energía necesaria para el enlace.

TRANSCRIPCIÓN: Es el proceso de copia de un gen o fragmento de DNA utilizando ribonucleótidos y originándose diferentes tipos de RNA. La transcripción constituye la primera etapa que tiene lugar en el proceso de la expresión genética. La transcripción consiste, como su nombre indica, en copiar la información (secuencia de nucleótidos) de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, en una molécula de ARN. En este proceso, por consiguiente, tomando como molde o patrón una de las cadenas del fragmento del ADN, se sintetiza una molécula de ARN, cuya secuencia de nucleótidos será complementaria con dicha cadena de ADN. Localización celular de este proceso en procariotas (citoplasma) y eucariotas (núcleo). Se deben tener en cuenta los siguientes conceptos

Ley de la complementariedad de bases nitrogenadas Sentido de la síntesis 5´_____3´ La Timina es exclusiva del ADN y el Uracilo del ARN

TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS

ARN polimerasa: es una enzima de gran tamaño formada por varias cadenas polipeptídicas. La unidad central está compuesta por 5 subunidades: α2,β,β´ y σ (sigma).

La ARN pol dirige, en procariotas, la síntesis de ARNr, ARNt, ARNm.

PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN: La transcripción se realiza en sentido 5´3´en una reacción catalizada por la ARN pol que se desarrolla en tres etapas:

1. INICIACIÓN: La subunidad σ del complejo de la ARN pol busca y se une a la región promotora (rica en A y T) previa al punto de lectura del

gen, que es el punto donde se incorpora el primer nucleótido. En él, se han descrito dos SECUENCIAS CONSENSO en posición 5´muy conservadas en la evolución:

CAJA TATA: situada a -10 nucleótidos del punto de inicio.

SEGUENCIA TGACA: situada a -35 nucleótidos. A continuación, la ARN pol, desenrolla un segmento de 17 pares de bases del ADN duplexo permitiendo la polimerización de

ARN a partir de sólo una de la hebras que se utiliza como patrón (cadena molde). Se incorpora el primer ribonucleótido en el punto de inicio que habitualmente es una adenina. Tras sintetizar los primeros 8

nucleótidos, se libera el factor ρ. 2. ELONGACIÓN:

Los ribonucleótidos se añaden al extremo 3´de la cadena en crecimiento, a una velocidad aproximada de 30 nucleótidos por segundo. Se forma un híbrido de ADN-ARN que abarca los 17 pb de la región desenrollada. A medida que avanza la enzima, el ARN transcrito es desplazado de la cadena molde y ésta se aparea de nuevo con la cadena complementaria reestableciéndose el ADN duplexo.

3. TERMINACIÓN. La terminación supone el reconocimiento del final del gen. En este punto, cesa la incorporación de nuevos ribonucleótidos.

El terminador es una secuencia de unos 40 pb situada al final del gen. Es rica en bases G y C seguida por poly A. Existe un escaso o nulo procesamiento del ARNm y la transcripción está acoplada a la traducción.

Sin embargo, los ARNr y ARNt muestran cierto grado de procesamiento: - Al ARNt se le añada la secuencia CCA en el extremo 3´. - EL ARNr sufre la metilación de algunas bases.

FASES (EUCARIOTAS) 1.-Iniciación: La ARN-polimerasa se une a una zona del ADN (centro promotor: TATA box) previa al ADN que se quiere transcribir. A continuación se separan las dos cadenas por la endonucleasa que rompe los enlaces, iniciándose el proceso de copia del ADN a transcribir. Los ribonucleótidos se añaden en sentido 5'-3'. En los genes eucariotas tres clases de secuencias reguladoras:

El promotor es la región más próxima al inicio de la transcripción y está formado por la secuencia -25 TATA, conocida por TATA box o caja de Hogness, junto con la secuencia -80 CAAT y la secuencia -120 rica en bases GC. Los factores proteicos de transcripción que se unen con el promotor se denominan factores basales y ayudan a la ARN polimerasa II a situarse correctamente en el sitio de iniciación del gen.

Las secuencias potenciadoras (enhancers) situadas mucho más lejos, entre -200 y -10000, sobre las cuales se unen los factores activadores de la transcripción. Estas moléculas activadoras cumplen dos funciones:

- Desempaquetan la cromatina al disgregar los nucleosomas para que el ADN resulte accesible a la región promotora. - Facilitan el acoplamiento de la ARN pol II, lo que incrementa la velocidad con la que se sintetiza el pre-ARNm.

Las secuencias silenciadoras (silencers) se encuentran intercaladas entre las activadoras y, a ellas se unen los factores represores de la transcripción, que impiden la actuación de los factores activadores y disminuyen la velocidad de la transcripción.

2.- Elongación: La ARN-polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN. Se transcriben intrones (no contienen información para la síntesis de la cadena polipeptídica) y exones (contienen información para formar la cadena polipeptídica) hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir. 3.- Terminación. La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares y contribuya a su transporte fuera del núcleo. Se forma el ARN transcrito primario (pre-ARNm)

4. Maduración de los productos de la trancripción: La maduración del pre-ARNm consiste en un conjunto de modificaciones en ambos extremos de la molécula, en la eliminación de intrones y en la alteración de ciertas secuencias de ARNm.

Adición en 5´de la caperuza de metil-guanosina trifosfato: esta caperuza protege al ARN m del ataque de las nuecleasas y evita su inmediata degradación en el núcleo. Además, esta caperuza es reconocida por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción.

Adición de 3´de una cola de poli-adenina (poli-A): La secuencia TTATTT de la señal de poliadeninalización determina el fin de la transcripción y la actuación de otra enzima, denominada poli-A polimerasasa, que adiciona en el extremo 3´del pre-ARNm una “cola de poli A” formada por unos 150 o 200 ribonucleótidos de adenina. Al parecer, esta “cola” tiene un papel protector del ARNm e interviene en la vida media de esta molécula, pues cuanto menor es la cola de poli A de un ARN m más rápidamente se degrada.

Mecanismo de corte de intrones y pegado de exones o splicing. Los genes eucariotas, se encuentran en su mayor parte fragmentados. La supresión de los intrones se realiza mediante un proceso de maduración en el núcleo del pre-ARNm que supone cortes entre los intrones y los exones formando una molécula de ARNm funcional que se exporta al citoplasma y contiene todos los nucleótidos necesarios para la síntesis de la cadena proteica correspondiente. Los exones libres para ser unidos por una ARN-ligasa. Se forma el ARN maduro.

Diferencias de la transcripción en eucariotas y procariotas.

PROCARIOTAS EUCARIOTAS Genes Los genes con continuos. Se transcribe el ARN mensajero sin

maduración posterior. Muchos genes son discontinuos (intrones y exones).El ARN transcrito primario sufre la eliminación de los intrones en un proceso de maduración

ADN ADN presenta bajo grado de empaquetamiento y es de fácil acceso para la transcripción.

ADN asociado a histonas. Está densamente empaquetado y requiere desempaquetamiento previo a la transcripción

ARN pol Tienen un solo tipo de ARN-polimerasa para la síntesis de las tres clases de ARN

Tienen tres tipos de ARN-polimerasa para sintetizar los distintos tipos de ARN

ARN polimerasa I: ARN r

ARN-polimerasa II : ARNm

ARN-polimerasa III: ARN t Localización La transcripción tiene lugar en el citoplasma y la traducción es

casi simultánea. La transcripción se produce en el núcleo, y la traducción, en el citoplasma.

Tipos de genes

Casi todos son genes policistrónicos. El ARNm codifica para varias cadenas polipeptídicas

La mayor parte son genes monocistrónicos. El ARNm se traduce originando una única cadena polipeptídica.

Maduración Solo en ARN transcrito primario precusror del ARNt y ARNr. El ARNm codifica la información correspondiente a una sola cadena polipeptídica.

En el extremo 5´se añade una caperuza de metil guanosina trifosfato. El extremo 3' posee una cola denominada poli-A. Contribuye a la salida del

ARNm fuera del núcleo.

EL CÓDIGO GENÉTICO:

http://wps.prenhall.com/esm_krogh_biology_3/0,8750,1136394-,00.html Web Tutorial 14.2: The Genetic Code El código genético es la tabla de correspondencia entre las letras del ARN (A C G U) tomadas de tres en tres llamadas tripletes (CODÓN) y los 20 aminoácidos que forman las proteínas. Las características del código genético son: 1. Un grupo de tres letras adyacentes llamado codón o triplete codifica un aminoácido. 2. Es universal ya que los tripletes son los mismos para todos los seres vivos, aunque existen excepciones (ciliados y mitocondrias). Luego, la especificidad reside en su diferente orden. 3. Es degenerado, es decir, un aminoácido puede estar codificado por más de un triplete: codones sinónimos, ejemplo leucina (6 codones) tirosina (2 codones).Así, si se produce una mutación, sólo afecta a un aminoácido. 4. Es continuo, es decir, no existen interrupciones, comas o puntos que separen los codones. 5. Es un código sin solapamientos, es decir, los tripletes no se solapan y cada tres bases se corresponden con un aminoácido. Es muy importante el comienzo del orden de lectura. 6. No es ambiguo: La unidad de lectura es el codón (cada triplete de nucleótidos del ARNm codifica para un aminoácido). 7. El codón de inicio (principalmente AUG) que codifica a la N-formil-Metionina (procariontes) o a la metionina ( eucariontes). 8. El codón de terminación, de stop o “codones sin sentido” (no codifican ningún aminoácido) que provocan la finalización de la síntesis de la cadena polipeptídica son UAA, UAG y UGA. 9. No presenta imperfección.

TRADUCCIÓN: SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

La retrotranscripción. Concepto. Explicación del proceso en un retrovirus. Los retrovirus son virus ARN monocatenarios que se replican a través de intermediarios de ADN bicatenario, como por ejemplo el virus del sarcoma de Rous tumor cancerígeno en aves de corral) o el virus del SIDA. Tras la entrada del virus en la célula, el ARN del virus se transcribe mediante un enzima vírica, llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, originándose una molécula de ADN bicatenario. Este ADN penetra en el núcleo celular y se inserta en un cromosoma, recibiendo el nombre de provirus, que se transmite de generación en generación como cualquiercarácter heredable.

Es el proceso por el cual los ribosomas convierten la secuencia de codones del ARNm en una secuencia de aminoácidos, los cuales son transportados por los ARNt hasta los ribosomas. Función de los distintos ARN y de los ribosomas.

Los ARNt son los verdaderos artífices de la traducción, pues se encargan de mantener las correspondencias entre los tripletes del ARN m y los aminoácidos.

En cada molécula de ARNt se distinguen dos regiones distintas separadas que le permiten actuar como intérprete: la secuencia CCA del extremo 3´y el bucle del anticodon.

Cada ARNt se une específicamente con un único aminoácido determinado (por medio de la aminoacil ARNt sintetasa formando un aminoacil-ARNt.

Los ARNt cargados con sus aminoácidos reconocen y se unen, específicamente mediante su anticodón a los correspondientes tripletes o codones del ARNm, En esta fase interviene como adaptador el ribosoma. El ribosoma es la estructura celular encargada de leer los codones del ARNm, y de ir uniendo a ellos, temporalmente, los

complejos aminoacil-ARNt, cuyos anticodones sean complementarios con el ARNm. Cada uno de estos aminoacil-ARNt aportará un determinado aminoácido, que posteriormente se unirán y formarán la proteína.

El ribosoma consta de dos subunidades que, al inicio de la síntesis, se unen. En ellos se diferencian dos sitios o centros de unión, donde los ARNt se unen mediante sus anticodones con los codones del ARNm. Estos sitios son:

El sitio A o aminoacil. Es el lugar del ribosoma donde se van incorporando los nuevos aminoacil-ARNt. Aquí el aminoacil-ARNt se une por su anticodón con el correspondiente codón del ARNm.

El sitio P o peptidil es el lugar del ribosoma donde se encuentran los peptidil-ARNt, es decir, los ARNt que están unidos a la cadena peptídica en formación con los codones del ARNm. http://www.whfreeman.com/thelifewire6e/con_index.htm?12

FASES DEL PROCESO. INICIACIÓN. ELONGACIÓN. TERMINACIÓN Antes de que se inicie propiamente la síntesis proteica, es preciso que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. A continuación comenzará la síntesis proteica con las siguientes fases: Iniciación. elongación. terminación

ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS: Aminoácido + ARNt + ATP + aminoacil ARN sintetasa Aminoacil ARNt + AMP + Pi

Los aminoacil-ARNt son complejos moleculares formados por un aminoácido y un ARNt específico al cual se une. Estos complejos se forman en el hialoplasma, en una fase previa a la traducción. De esta manera, los aminoácidos, que van a formar parte de las proteínas, son transportados hasta los ribosomas, donde se unirán en el orden que determinan los codones del ARNm.

La formación de estos complejos se realiza gracias a la acción de unos enzimas específicos, llamados aminoacil-ARNt-sintetasas. Estos enzimas catalizan la unión para cada aminoácido entre un aminoácido y un ARNt, siempre que éste posea un determinado anticodón, puesto que este triplete de nucleótidos del ARNt es lo que va a determinar con qué aminoácido se va a unir. Existen 20 ARNt igual al número de aminoácidos. Se necesita ATP para formar el complejo.

1. INICIACIÓN: El complejo de iniciación es un complejo molecular que se forma en la

primera etapa de la traducción o etapa de iniciación. Este complejo está formado por: el ARNm, la subunidad menor del ribosoma y el primer aminoacil-ARNt, que suele ser el ARNt-metionina. Una vez formado, se une a él la subunidad mayor, y se forma el ribosoma completo. Este complejo de iniciación se forma de la siguiente manera:

El ARNm se une por su extremo 5' a la subunidad menor del ribosoma; en este proceso interviene un factor proteico de iniciación llamado FI1.

A continuación, el primer aminoacil-ARNt se une, mediante puentes de hidrógeno y por su anticodón, al codón iniciador del ARNm, que suele ser el AUG más próximo a la “caperuza” del ARNm. Por esta razón, el primer aminoacil-ARNt es el ARNt-metionina. En este proceso interviene otro factor de iniciación llamado FI2.En la formación del complejo de iniciación se requiere energía, que se obtiene de la hidrólisis del GTP.

2. ELONGACIÓN

Consiste en la formación de la cadena polipeptídica por adición de aminoácidos. El ARNm es leído en dirección 5’---3’, y la cadena polipeptídica se sintetiza desde el extremo N-terminal hacia el C-terminal. Podemos distinguir tres etapas:

Fijación del Aminoacil ARNt: El segundo aminoacil-ARNt se coloca en el lugar A y establece puentes de hidrógeno entre las bases del anticodon y codon. Si no existe complementariedad de bases, sale fuera del lugar A Esto es posible gracias a la presencia de factores de elongación (FE)

Formación del enlace peptídico: los dos lugares A y P se hallan ocupados por dos aminoacil ARNt, de manera que los dos aminoácidos se unen mediante enlace peptídico, reacción catalizada por la peptidil transferasa. Se suelta el ARNt de la posición P al tiempo que se forma el enlace peptídico.

Traslocación: El ARNt sin aminoácido abandona el ribosoma gracias a la acción de FE y GTP. El ribosoma se desplaza un codón en dirección 3’ y el Peptidil ARNt ocupa el sitio P, dejando vacío el lugar A .El ARNm presenta su tercer codón en el lugar A lo que posibilita la entrada de un tercer ARNt con otro aminoácido, de manera que un nuevo ciclo de elongación puede comenzar, de forma que el ribosoma traduce el ARNm en sentido 5’—3’

3.- TERMINACIÓN

Cuando el lugar A queda ocupado por alguno de los tres posibles codones de paro (UAA, UAG, UGA), ningún ARNt puede ocuparlo, y el ribosoma da por terminada la síntesis del polipéptido. Hace falta la presencia de los factores de terminación (RF). La proteína ya formada abandona el ribosoma (se disocia en sus dos subunidades), y también lo hacen el ARNm y el ARNt.

PROCAROTAS EUCARIOTAS

Ribosomas de menor tamaño 70S

Ribosomas de mayor tamaño 80S

El codón de iniciación es AUG y el aminoácido que comienza la síntesis es la metionina pero en ocasiones es GUG (valina)

El codón de iniciación es siempre AUG y el aminoácido que comienza la síntesis es la metionina.

Una molécula de ARNm contiene muchos lugares de iniciación y por tanto servirá de molde para múltiples proteínas

Una molécula de ARNm sólo presenta un lugar de iniciación

Tienen un factor de iniciación

Tienen más factores de iniciación

En las bacterias actúan dos factores de liberación

En la terminación sólo actúa una proteína como factor de liberación.