TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN

TRANSCRIPCIÓN

1. GENES Y PROTEÍNAS

Los genes están formados por ADN
Existe un mecanismo que permite a los genes expresar su información en forma de 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.

2. LA EXPRESIÓN DE LOS GENES
La expresión genética consiste en el paso de ADN a proteína. Transcurre en dos etapas sucesivas:

•  A.Transcripción: Una cadena del ADN de un gen actúa como molde para la síntesis de ARN complementario. No todo el ADN se expresa. Sólo los genes con información para fabricar una cadena peptídica serán transcritos a ARNm y traducidos a proteínas.

• B.Traducción: La información contenida en el AR
  Nm 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.

3. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS
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 (hebra molde), mientras la complementaria no lo hace (hebra codificante). La hebra molde tiene secuencias reconocidas por las enzimas que intervendrán en la transcripción (secuencias promotoras).La hebra molde 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 (en dirección 3’ de la hebra molde) se numeran con dígitos negativos; hacia la derecha (dirección 5’ de la hebra molde), 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 o transcriptasa. 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 otras proteínas: 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, separando un resto pirofosfato y dejando un ribonucleótido monofosfato, que se esterifica con la cadena de ARNm gracias a la energía de dicha hidrólisis.
• Reconocer las secuencias de terminación de la hebra molde para finalizar la transcripción.

El proceso consta de tres etapas:
3.1. INICIACIÓN

• El promotor: es la secuencia más cercana al inicio de la transcripción, está formado por las secuencias -25 TATA, -80 CAAT y la -120 rica en GC. Los factores de transcripción que se unen al promotor se denominan factores basales y ayudan a la ARN pol II a situarse en el sitio adecuado.
• Secuencias potenciadoras: están mucho más lejos. A ellas se unen lo factores activadores de la transcripción cuyas funciones son: 
• Desempaquetar la cromatina, disociando las histonas, y desenrollar el ADN para hacer accesible el promotor.
• Facilitar la unión de los factores basales con la ARN pol II, a través de los coactivadores, incrementando la velocidad de síntesis.
• Secuencias silenciadoras: se encuentran entre las potenciadoras. 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.

3.2. 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.

3.3. 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 y la separación del pre-ARNm de la cadena molde de ADN.

3.4. MADURACIÓN POSTRANSCRIPCIONAL
La maduración consiste en modificaciones en los extremos del ARNm, la eliminación de intrones y la alteración de algunas secuencias en ciertos ARNm.

• Adición en 5’ de una “caperuza” de metil-guanosina trifosfato. Este proceso, en realidad, no es postranscripcional. Se realiza poco después de iniciada la transcripción. Además, sirve como reconocimiento del inicio de la traducción por los ribosomas.
• Adición en 3’ de una “cola” de poli-adenina (poli- A). La secuencia TTATTT, además del fin de la transcripción, es señal de poliadenilación, ya que determina la actuación de la enzima poli-A polimerasa, que añade al extremo 3’ del pre-ARNm una “cola” de poli-A, formada por 150-200 ribonucleótidos de adenina. Esta “cola” parece tener un papel protector del ARNm, pues cuanto más corta más rápido se degrada.
• Corte de intrones y pegado de exones (splicing). Salvo los genes de las histonas, el interferón y algunos otros, los genes eucariotas están fragmentados, por lo que contienen exones, que serán traducidos, e intrones, que no lo serán, por lo que han de ser eliminados.Para suprimir los intrones, se produce en el núcleo un proceso del pre-ARNm que consiste en cortes entre intrones y exones. Para ello, las secuencias intrónicas se enrollan como lazos y se eliminan, mientras que las exónicas se empalman, formando finalmente un ARNm funcional, que sale al citoplasma y se unirá a los ribosomas para la síntesis proteica.
  
  Este proceso de corte y pegado, llamado splicing, lo realizan ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPsn). Son proteínas con moléculas de ARN nucleares pequeños (ARNsn) que, en conjunto, forman el espliceosoma. 
• Edición o corrección del pre-ARNm. Un último proceso de la maduración consiste en introducir, eliminar o modificar (desaminación) ciertos nucleótidos del pre-ARNm.

TRADUCCIÓN

1. TRADUCCIÓN DEL ARNm

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.

1.2. EL CÓDIGO GENÉTICO

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 “palabras” de tres letras, que son los tripletes de bases o codones.

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 “intérpretes” que conviertan un lenguaje en otro. Dichos intérpretes son las moléculas de ARNt.

Características del código genético 

• Es universal y no es ambiguo.
• Es degenerado o redundante. 
• Todos los codones tienen sentido y se leen en el ARNm en sentido 5’ -> 3'.
• Carece de solapamiento

2. PAPEL DE INTÉRPRETE DE LOS ARNt

Los ARNt son los que mantienen la correspondencia entre los tripletes del ARNm y los aminoácidos de las proteínas.

Esta correspondencia depende de dos tipos de adaptaciones o reconocimientos:

• Primera adaptación: cada ARNt debe unirse de forma específica a un determinado aa. Para ello precisa de la enzima aminoacil ARNt sintetasa, que presenta dos sitios activos específicos. Uno reconoce al aminoácido  y el otro reconoce el bucle o brazo D del ARNt correspondiente. 
• 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 sólo es estricta para las dos primeras bases del anticodón del ARNt. La 3ª base, la del extremo 5’, puede unirse a diferentes bases. Esto se denomina balanceo y es la causa de la degeneración del código. 

3. TRADUCCIÓN EN EUCARIOTAS

La traducción es muy similar en procariotas y eucariotas y consta de 3 etapas: iniciación, elongación y terminación.

3.1. 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).

3.2. 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.
• 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.

3.3. 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 al 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.

3.4. MADURACIÓN POSTRADUCCIONAL

Los polipéptidos recién sintetizados no son funcionales; precisan de ciertas modificaciones que suponen un proceso de maduración postraduccional:

• Plegamiento de las proteínas
• Adición de grupos prostéticos 
• Modificación de algunos aminoácidos
• Cortes proteolíticos

4. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

4.1. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

La regulación en procariotas tiene lugar en la transcripción. Para ello utilizan proteínas reguladoras codificadas por genes reguladores.

Un operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de controly genes reguladores. Los principales elementos que constituyen un operón son los siguientes:

• Los genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión está regulada. 
• El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. 
• El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. 
• El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. 
• Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la región del operador.
• Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.

El operón lactosa( operón lac), es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora, producto del gen regulador i, 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, que cataliza la hidrólisis de la lactosa en glucosa más galactosa; la galactósido permeasa, que transporta galactósidos al interior de la célula bacteriana; y una acetiltransferasa, que impide que se metabolicen otros galactósidos que no sean la lactosa.

En ausencia del inductor (la lactosa), la proteína represora, producto del gen i, se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.

Por el contrario, en presencia del inductor (la lactosa), 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. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del operón, necesarios para metabolizar la lactosa.

4.2. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS

En eucariotas la regulación de la expresión génica es mucho más compleja y menos conocida. Tiene lugar en cinco niveles:

1. Estructura de la cromatina: se controla mediante metilación del ADN; metilación de histonas y acetilación de histonas.
2. Control de la transcripción: mediante elementos traslocables o genes saltarines, como transposones y retrotransposones, que pueden inactivar o sobreactivar la transcripción; y mediante los factores de transcripción.
3. Control de la maduración postranscripcional.
4. Control de la traducción: degradación de los ARNm, actuación de ARNi.
5. Control del proceso postraduccional: maduración, cambios conformacionales, degradación por el proteasoma, etc.

Fuentes: BioGeo