Los genes están formados por ADN, que es la molécula portadora de la información genética. Sin embargo, las funciones vitales (el metabolismo) son llevadas a cabo por proteínas. Un gen es un fragmento de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una cadena peptídica: la información fluye del ADN al ARNm y a la proteína.
La expresión genética consiste en el paso de ADN a proteína. Transcurre en dos etapas sucesivas: transcripción (Una cadena del ADN de un gen actúa como molde para la síntesis de ARN complementario. Solo los genes con información para fabricar una cadena peptídica serán transcritos a ARNm y traducidos a proteínas. Existen genes que se transcriben pero no se traducen, pues sirven para la síntesis de otros tipos de ARN: ARNt, ARNr. También existen secuencias génicas reguladoras que no se transcriben ni se traducen, pues actúan de indicadores del comienzo y final de la transcripción, potencian o inhiben la expresión de los genes, etc.) y traducción (La información contenida en el ARNm transcrito será traducido a una cadena peptídica por los ribosomas, según el código genético, que relaciona la secuencia de bases del ARNm con la secuencia de aa de la proteína).
Aunque la expresión de los genes es un proceso universal, existen diferencias entre procariotas y eucariotas debido a las peculiaridades de su estructura:
La transcripción es la primera fase de la expresión génica y consiste en transferir la información contenida en el ADN hasta el ARN. En eucariotas, todos los ARN se sintetizan en el núcleo para salir al citoplasma por los poros nucleares, unirse a los ribosomas y contribuir a la traducción. Además, mitocondrias y cloroplastos también realizan transcripción y traducción. La mayor parte de la transcripción consiste en la síntesis de moléculas de ARNm. Para ello se precisan de tres elementos:
- Una cadena de ADN molde: de las dos cadenas del ADN, sólo se transcribe una, mientras la complementaria no lo hace. La hebra molde tiene secuencias reconocidas por las enzimas que intervendrán en la transcripción. Esta siempre se lee en dirección 3’ - 5’, al tiempo que el ARNm se sintetiza en dirección 5’ - 3'. Para representar la transcripción, la hebra molde se coloca siempre debajo, en dirección 3’ - 5’, mientras la hebra informativa se sitúa arriba, en dirección 5’ -> 3’.El primer nucleótido transcrito se numera como +1. Hacia la izquierda de ése se numeran con dígitos negativos y. hacia la derecha, con positivos.
- Ribonucleótidos: los ribonucleótidos de A, G, C y U deben estar activados, es decir, en su forma trifosfato, lo que les dará la energía para su esterificación. El ARNm se sintetizará mediante la unión, por enlaces éster, entre el fosfórico en 5’ de cada nuevo nucleótido con el -OH en 3’ del último nucleótido de la cadena.
- La ARN polimerasa II: es la encargada de sintetizar el ARNm complementario de la hebra molde de ADN. Para ello debe:
- Reconocer las secuencias promotoras que indican el comienzo de la transcripción. Para hacerlo necesita la colaboración de los factores de transcripción.
- Recorrer la hebra molde en dirección 3’ -> 5’, reconociendo su secuencia de bases y colocando los ribonucleótidos de A, G, C y U complementarios.
- Catalizar la formación de enlaces éster entre los ribonucleótidos. Si el ribonucleótido trifosfato escogido es el complementario de la hebra molde, la enzima lo hidroliza.
- Reconocer las secuencias de terminación de la hebra molde para finalizar la transcripción.
- Iniciación: para asegurarse de la eficacia y precisión del mismo existen tres clases de secuencias reguladoras en los genes: el promotor (es la secuencia más cercana al inicio de la
transcripción), las secuencias potenciadoras (a ellas se unen lo factores activadores de la transcripción cuyas funciones son desempaquetar la cromatina y facilitar la unión de los factores basales con la ARN pol II a través de los coactivadores) y las secuencias silenciadoras (a ellas se unen los factores represores de la transcripción, que impiden la unión de los activadores a los potenciadores, reduciendo la velocidad de transcripción). Todas ellas son activadas mediante factores de transcripción. - Elongación: la ARN pol II recorre la hebra molde en dirección 3’ 5’, al tiempo que sintetiza ARNm transcrito primario en dirección 5’ 3’. La velocidad es de unos 30-50 nucleótidos por segundo y se transcriben tanto intrones como exones.
- Terminación: la ARN pol II reconoce la secuencia TTATTT de la señal de poliadenilación al final del último exón. Esta secuencia determina el fin de la transcripción (aunque puede seguir unos cientos de bases más) y la separación del pre-ARNm de la cadena molde de ADN.
TRADUCCIÓN
La traducción es el paso del mensaje genético del ARNm al de las proteínas. Para poder pasar de un tipo de molécula a otro se precisa un código que relacione los nucleótidos con los aminoácidos. Ese
código es el código genético, que es una correspondencia entre nucleótidos y aminoácidos que permite pasar el mensaje contenido en los genes hasta las proteínas. En el ARNm, los aminoácidos se codifican mediante tripletes de bases o codones. Sin embargo, no existe ninguna relación química entre los codones y los aminoácidos y, por tanto, los aa no pueden unirse directamente al ARNm. Por ello se necesitan moléculas de ARNt.
Las principales características de este código son :
- Es universal
- Es degenerado o redundante. Existen 43=64 tripletes posibles y sólo 20 aminoácidos, por lo que cada aa puede estar codificado por más de un codón.
- Todos los codones tienen sentido y se leen en el ARNm en sentido 5’ - 3'.
- Carece de solapamiento, es decir, los codones no comparten bases entre sí y se colocan uno a continuación de otro.
- Primera adaptación: cada ARNt debe unirse de forma específica a un determinado aa. Para ello precisa de la enzima aminoacil ARNt sintetasa. Uno reconoce al aminoácido y el otro reconoce elbrazo D del ARNt correspondiente. La enzima cataliza la unión del grupo carboxilo del aa con el hidroxilo del brazo aceptor del ARNt.
- Segunda adaptación: se produce en los ribosomas. Los ARNt reconocen los codones del ARNm y se unen a ellos mediante su anticodón correspondiente. En este proceso los ribosomas actúan como adaptador. La unión codón-anticodón solo es estricta para las dos primeras bases del anticodón del ARNt. La 3ª base puede unirse a diferentes bases. Esto se denomina balanceo y es la causa de la degeneración del código. Por ello, existen entre 35 y 50 ARNt diferentes. Se llaman ARNt isoaceptores a los ARNt que aceptan el mismo aa.
La traducción es muy similar en procariotas y eucariotas y consta de 3 etapas:
- Iniciación: Consiste en la formación del complejo de iniciación 80S, formado por un ribosoma unido al ARNm y al ARNtimet. Para ello se requieren varias fases:
- Diversos factores de iniciación (FI) y la energía del GTP permiten la unión de la subunidad pequeña del ribosoma (40S) con el ARNtimet .
- El complejo formado reconoce la “caperuza” de metil guanosina trifosfato del ARNm gracias a otros FI, uniéndose al extremo 5’ del ARNm.
- Mediante energía en forma de ATP, la subunidad pequeña del ribosoma se desplaza por el ARNm en dirección 5’ 3' hasta que encuentra la primera secuencia AUG, que es el codón de iniciación (y que codifica para metionina). El ARNtimet se une entonces a dicho codón, ya que posee el anticodón correspondiente: UAC.
- Los FI se liberan y se acopla la subunidad mayor (60 S), con lo que se forma el definitivo complejo de iniciación 80 S. La subunidad mayor presenta tres hendiduras o sitios de fijación: el E (de liberación); el P (de fijación del ARNt unido a la cadena peptídica) y el A (de fijación de un segundo ARNt que trae un nuevo aa).
- Elongación: es el proceso por el que se sintetiza la cadena peptídica dentro del ribosoma, catalizado por la enzima peptidil transferasa. El proceso consta de tres fases sucesivas que se repiten para cada uno de los aa añadidos a la cadena peptídica:
- Primera fase: entrada del ARNt-aminoácido. El sitio P está ocupado por el ARNtimet, mientras los sitios E y A están vacíos. Ahora el sitio A es ocupado por el ARNt cuyo anticodón es complementario del siguiente triplete en el ARNm. Esto se consigue con el factor de elongación FE-1 y energía del GTP.
- Segunda fase: formación del enlace peptídico. La peptidil transferasa rompe el enlace de la metionina unida al ARNtimet del sitio P y la une, mediante enlace peptídico, al que transporta el ARNt del sitio A. Esta labor está catalizada también con ayuda de ribozimas del propio ribosoma. De esta forma se obtiene un dipéptido unido al ARNt del sitio A.
- Tercera fase: traslocación. El factor de elongación FE-2, con energía del GTP, mueve el ribosoma a los largo del ARNm exactamente tres nucleótidos en dirección 5’ 3'. De esta forma, el sitio P queda ocupado por el ARNt con el dipéptido, el sitio A queda vacío y en espera de alojar un nuevo ARNt y el sitio E queda ocupado por el ARNti ya sin aa.
- Repetición de las tres fases: la entrada de un nuevo ARNtaa en el sitio A expulsa al ARNt del sitio E y se repiten otra vez las tres fases. De esta manera, se forma un tripéptido, luego un tetrapéptido, etc.
- Terminación: tiene lugar cuando tras una traslocación aparece en el sitio A uno de los tres codones de terminación: UAA, UAG o UGA. Un factor proteico de terminación se une a dicho codón e impide la unión de un aminoacil-ARNt en el sitio A. La enzima peptidil transferasa cataliza entonces la transferencia de la cadena peptídica a una molécula de agua, lo que provoca la hidrólisis entre la cadena peptídica y el ARNt que lo portaba. La cadena peptídica queda así liberada; las dos unidades del ribosoma se separan y el ARNm puede volver a traducirse o es degradado.
En general, los polipéptidos recién sintetizados no son funcionales, precisan de ciertas modificaciones, como plegamiento de las proteínas, adición de grupos prostéticos, modificación de algunos aminoácidos o cortes proteolíticos.
Una razón de la supervivencia de los organismos es su capacidad para controlar la síntesis proteica. Solo se sintetizan aquellas proteínas que se necesitan y en el momento necesario. Los organismos han de regular su actividad metabólica en función de los estímulos que les llegan del medio. Esta regulación puede hacerse de dos formas básicas: modificando la actividad enzimática o modificando la concentración de enzimas. La regulación de la expresión génica en eucariotas es mucho más compleja y menos conocida que en procariotas.
La regulación en procariotas tiene lugar en la transcripción. Para ello utilizan proteínas reguladoras codificadas por genes reguladores. Dichas proteínas pueden actuar como controles negativos, reprimiendo la transcripción o como controles positivos, intensificándola. Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados permitieron establecer el modelo genético del operón que permite comprender cómo tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Un operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.Los principales elementos que constituyen un operón son:
- Los genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son poligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo gen estructural. Los operones eucarióticos suelen contener un sólo gen estructural siendo monocistrónicos.
- El promotor (P): elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales.
- El operador (O): elemento de control que es una región del ADN con una secuencia reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales.
- El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales del operón pero no está inmediatamente al lado.
- Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une a la región del operador.
- Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.
El operón lactosa, que abreviadamente se denomina operón lac, es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor del sistema es la lactosa. Los genes estructurales del operón lactosa codifican para la β-galactosidasa, la galactósido permeasa y una acetiltransferasa. En ausencia del inductor, la proteína represora se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y no se transcriben los genes estructurales. Sin embargo, en presencia del inductor, este se une a la proteína reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales.
En eucariotas la regulación de la expresión génica es mucho más compleja y menos conocida. Tiene lugar en cinco niveles:
- Estructura de la cromatina
- Control de la transcripción
- Control de la maduración postranscripcional
- Control de la traducción
- Control del proceso postraduccional
Fuente: BioGeo
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