Del ADN a las Proteínas
Estructura del Genoma y su Expresión
El genoma de un organismo es su material genético, es decir, su ADN.
Un Gen, una Enzima
La hipótesis de “un gen, una enzima” postula que cada gen contiene la información para la síntesis de una enzima específica. Dado que no todas las proteínas son enzimas y algunas están formadas por varias cadenas polipeptídicas, la hipótesis se reformuló como “un gen, una cadena polipeptídica”.
Organización del Genoma
Organismos Procariotas
El genoma procariota está formado por un cromosoma circular. Los genes son continuos. Las bacterias también contienen plásmidos, que se replican independientemente del cromosoma.
Organismos Eucariotas
No existe una relación directa entre la complejidad de un organismo eucariota y la cantidad de ADN, ya que parte del ADN no codifica proteínas ni interviene en la regulación de su síntesis. El genoma eucariota es más complejo debido a:
- Mayor cantidad de ADN.
- Presencia de ADN repetitivo que no codifica proteínas.
- Fragmentación de los genes en intrones (se transcriben, pero no se traducen) y exones (se transcriben y se traducen, codificando una secuencia de aminoácidos).
- Asociación del ADN con histonas para formar cromosomas.
Parte del genoma eucariota se encuentra en los cloroplastos y las mitocondrias.
Flujo de Información Genética
La síntesis de proteínas ocurre en los ribosomas, mientras que el ADN reside en el núcleo. El ARN mensajero (ARNm) actúa como intermediario en este proceso, dando lugar a la transcripción. La molécula de ARNm se traduce en una cadena polipeptídica mediante el proceso de traducción, que ocurre en los ribosomas. El ADN se puede replicar y transcribir a ARNm, y este último se puede traducir con la ayuda del ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosomal (ARNr). Algunos virus poseen la ARN-replicasa, capaz de replicar el ARN viral. Los retrovirus utilizan la transcriptasa inversa para sintetizar ADN a partir de ARN mediante la retrotranscripción.
Síntesis del ARN: Transcripción
La transcripción requiere:
- Una cadena de ADN que actúe como molde. Solo una cadena se transcribe.
- Enzimas. El proceso está catalizado por la ARN-polimerasa (una en procariotas y tres en eucariotas).
- Ribonucleótidos trifosfato de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U), que se unen mediante enlaces éster.
Iniciación
La ARN-polimerasa reconoce secuencias específicas en el ADN llamadas centros promotores, que indican la cadena molde y el punto de inicio de la transcripción. La ARN-polimerasa separa la doble hélice del ADN, exponiendo las bases para que se unan los ribonucleótidos.
Elongación
La ARN-polimerasa avanza por la cadena molde en dirección 3′ a 5′, sintetizando la molécula de ARN en dirección 5′ a 3′. En eucariotas, tras la unión de los primeros 30 ribonucleótidos, se añade una caperuza en el extremo 5′ del ARN, que sirve como señal para el inicio de la traducción.
Terminación
La ARN-polimerasa reconoce señales de terminación específicas:
- En procariotas: la señal es una secuencia palindrómica rica en G y C, seguida de varias T, que origina una estructura en bucle en el ARN.
- En eucariotas: la ARN-polimerasa transcribe regiones largas de ADN, y la señal de corte es una secuencia de poliadenilación (AAUAAA). Tras la separación del ARN, la enzima poli-A-polimerasa añade una cola poli-A en el extremo 3′, que participa en la maduración y el transporte del ARN fuera del núcleo.
Maduración del ARN
Organismos Procariotas
El ARNt y el ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene múltiples copias. El ARNm no sufre maduración.
Organismos Eucariotas
La maduración del ARNm consiste en la eliminación de los intrones y la unión de los exones mediante el proceso de splicing. Este proceso requiere la presencia de ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPpn). El splicing comienza con la formación de bucles en las secuencias intrónicas, lo que acerca los exones y permite su unión para formar el ARNm maduro.
El Descubrimiento del Código Genético
El descubrimiento del código genético es un hito científico que requirió la colaboración de diversos grupos de investigación. Se postuló que tres bases nitrogenadas (un codón) codifican un aminoácido, ya que el número de posibles codones (64) es suficiente para codificar los 20 aminoácidos proteicos.
Características del Código Genético
- Universalidad: el código genético es compartido por casi todos los organismos, incluyendo los virus, aunque existen excepciones, como en la mitocondria y algunos protozoos.
- Degeneración: la mayoría de los aminoácidos, excepto la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón.
- No presenta imperfección: ningún codón codifica más de un aminoácido.
- Carece de solapamiento: los codones se disponen de manera lineal y continua, sin espacios ni bases compartidas.
El Proceso de Traducción
La traducción requiere:
- Ribosomas: donde se realiza la síntesis proteica.
- Aminoácidos: los componentes de las proteínas.
- ARN mensajero (ARNm): lleva la información para la síntesis de cada proteína.
- ARN de transferencia (ARNt): transporta los aminoácidos al ribosoma en el orden correcto.
- Enzimas y energía: necesarias para la reacción de biosíntesis.
La traducción se realiza en los ribosomas, que tienen tres sitios de unión: el sitio P (para la cadena polipeptídica en formación), el sitio A (para el aminoacil-ARNt entrante) y el sitio E (para el ARNt saliente).
ARN de Transferencia (ARNt)
El ARNt transporta los aminoácidos al ribosoma y los incorpora a la proteína en formación según la secuencia del ARNm. Cada ARNt tiene un anticodón, formado por tres bases complementarias al codón del ARNm. El aminoácido se une al extremo 3′ del ARNt.
Activación de los Aminoácidos
La unión de un aminoácido a su ARNt correspondiente se llama activación. Este proceso está catalizado por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa, que produce un aminoacil-ARNt.
Síntesis de Proteínas
Iniciación
La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm cerca del codón de inicio AUG. El primer aminoacil-ARNt, con el anticodón UAC y unido a la metionina (o N-formilmetionina en procariotas), se une al sitio P del ribosoma. La subunidad grande del ribosoma se une al complejo de iniciación.
Elongación
Un segundo aminoacil-ARNt entra en el sitio A del ribosoma. Se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos, catalizado por la peptidil transferasa. El ribosoma se transloca a lo largo del ARNm en dirección 5′ a 3′, moviéndose tres bases cada vez.
Terminación
La traducción termina cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UGA o UAG). Los factores de liberación se unen al sitio A y provocan la liberación de la cadena polipeptídica. El ribosoma se disocia en sus dos subunidades.
En procariotas, la traducción puede comenzar antes de que termine la transcripción.
Regulación de la Expresión Génica
Regulación en Procariotas: El Operón
Un operón es un grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control. Los componentes principales de un operón son:
- Genes estructurales: codifican las proteínas.
- Promotor (P): secuencia de ADN a la que se une la ARN-polimerasa.
- Operador (O): secuencia de ADN entre el promotor y los genes estructurales.
- Gen regulador (i): codifica la proteína reguladora.
- Proteína reguladora: se une al operador.
- Inductor: molécula que induce la expresión de los genes.
Operón Lactosa
- En ausencia de lactosa: la proteína reguladora se une al operador, impidiendo la transcripción.
- En presencia de lactosa: la lactosa se convierte en alolactosa, que se une a la proteína reguladora, permitiendo la transcripción de los genes para el metabolismo de la lactosa.
Regulación en Eucariotas
La regulación génica en eucariotas es más compleja e incluye:
- Condensación de la cromatina.
- Controles transcripcionales: proteínas que regulan la unión de la ARN-polimerasa al promotor.
- Procesamiento post-transcripcional: splicing alternativo, degradación del ARNm y procesamiento de polipéptidos.