Transcripción y Traducción del ADN: Procesos y Regulación

Transcripción

La transcripción es el proceso por el cual la información genética del ADN se transfiere al ARN. Este proceso está catalizado por la enzima ARN polimerasa, que sintetiza una cadena de ARN complementaria a una de las dos cadenas de ADN que actúa como molde.

Requisitos para la Síntesis de ARN

Todos los ARNm, ribosómicos y de transferencia se sintetizan a partir de nucleótidos trifosfato a través de reacciones catalizadas por las enzimas ARN polimerasas.
La información del ADN sirve como molde.
La cadena de ARN que se forma es complementaria a un fragmento de una de las cadenas de ADN que componen la doble hélice.
En la cadena de ARN no aparecerá la timina, sino que aparecerá uracilo.
El resultado es un ARN transcrito primario que solo en algunos casos será ARNm y en otros, sufrirá un proceso de maduración para convertirse en diferentes ARN que intervienen en la síntesis de proteínas.

Fases de la Transcripción en Procariotas

Iniciación

Tiene lugar en promotores formados por secuencias cortas en el ADN, que son reconocidos por la ARN polimerasa. En las bacterias, existen dos centros promotores:

El primero nucleótido que se transcribe, denominado +1, es una purina (región -10) y establece una secuencia de consenso que es TATAAT.
35 nucleótidos antes se encuentra una región (-35) con una secuencia consenso de seis nucleótidos TTGACA.

La función de las secuencias promotoras es indicar dónde se inicia la transcripción. La ARN polimerasa tiene varias subunidades y una de ellas sirve para que la enzima localice el promotor y se una a él. Cuando la cadena de ARN empieza a crecer, se separa.

Elongación

Una vez unida la ARN polimerasa al promotor, la enzima desenrolla el ADN creando la burbuja de transcripción y va añadiendo ribonucleótidos en dirección 5’ a 3’.

Terminación

Existen señales de terminación en el ADN molde que son reconocidas por la ARN polimerasa y que desencadenan la separación de la enzima, del ADN y del ARN transcrito. En las bacterias, existen dos estrategias:

Terminación Rho dependiente: El factor Rho se une a una secuencia específica del ARN que se está alargando y comienza a desplazarse por el transcrito hacia la ARN polimerasa. Cuando alcanza la polimerasa y la burbuja de transcripción, separa el ARN del ADN y libera una molécula de ARN.
Terminación Rho independiente: Depende de secuencias específicas en el ADN que consisten en una región rica en nucleótidos G y C que hacen que el ARN transcrito se doble sobre sí mismo, formando una horquilla de estructura secundaria estable que causa que la polimerasa se detenga.

Los transcritos de ARN en procariotas obtenidos en la transcripción se denominan transcritos primarios.

Fases de la Transcripción en Eucariotas

La transcripción en eucariotas tiene lugar en el núcleo de la célula, aunque también se realiza la transcripción del ADN de mitocondrias y cloroplastos, para los que existen polimerasas específicas. Las ARN polimerasas eucariotas funcionan de forma similar a las de procariotas y hay tres tipos: la I, la III y la II.

Iniciación

Hay promotores consenso, reguladores definidos. El centro promotor más frecuente es la “caja TATA” situado a -25 nucleótidos. La ARN polimerasa necesita unirse a proteínas auxiliares, llamadas factores generales de transcripción, para unirse al promotor.

Elongación

Después de la transcripción se produce la fosforilación de la ARN polimerasa, que provoca un cambio conformacional en la ARN polimerasa que hace que deje de estar unida al promotor y se separe del complejo de iniciación, pudiendo continuar la transcripción del gen. El complejo de iniciación queda unido al promotor, donde puede iniciar la transcripción de un nuevo ARNm. La ARN polimerasa avanza sobre la cadena molde del ADN en dirección 3’ a 5’ sintetizando la cadena de ARN en dirección 5’ a 3’. El transcrito contiene la información codificante (exones) y no codificante (intrones) de los genes, por lo que la información está fragmentada y dispuesta de forma discontinua. El ARNm será procesado eliminándose los intrones y uniéndose los exones, dando como resultado la molécula de ARNm maduro. Al extremo 5’ del ARN sintetizado se une una capucha de metil guanosina trifosfato, que protege este extremo del ataque de las nucleasas cuando el ARN sale del núcleo hacia los ribosomas del citoplasma.

Terminación

No hay señales de terminación exactas o consenso. La ARN polimerasa sigue la transcripción del gen mismo de la secuencia no codificante de la UTR. El ARN es procesado por otros enzimas que modifican el extremo 3’ por poliadenilación. Los ARNm eucariotas quedarán preparados para su exportación al citoplasma, donde podrán realizar su función.

Maduración

Los transcritos eucariotas sufren una serie de modificaciones en el proceso de maduración postranscripcional que implica que se extraigan los fragmentos no codificantes del transcrito (intrones) en un proceso (splicing) y que se unan ordenadamente los fragmentos codificantes del gen (exones). El ARNm es modificado en su extremo 5’ al que se le añade la CAP y en su extremo 3’ por adición de una cola poli-A.

Transcripción Inversa

La transcripción inversa es el proceso por el que a partir de ARN se sintetiza ADN usando la molécula de ARN como molde. Este proceso se da en los retrovirus, ya que su información genética está contenida en el ARN. El ADN constituye un intermediario en el proceso de replicación del virus y para eso tienen una enzima (retrotranscriptasa) capaz de sintetizar ADN usando como molde una cadena de ARN. No tiene lugar ni en las células procariotas ni en las eucariotas y constituye una excepción en el dogma central de la biología propuesto por Crick.

Traducción

La traducción es el proceso por el cual, a partir de la información contenida en el ARNm, se sintetiza una proteína. Tiene lugar en los ribosomas, donde se produce la unión de aminoácidos gracias a la acción del ARNr y requiere la función del ARNt. Durante el proceso de traducción, la secuencia de nucleótidos del ARNm se plasma en una secuencia de aminoácidos y consiste en la descodificación de un mensaje y su transformación de un lenguaje a otro. La información contenida en los ácidos nucleicos se basa en un código (código genético) que constituye la forma de nombrar los aminoácidos mediante secuencias de nucleótidos. Este código genético define la conversión de secuencias de nucleótidos a secuencias de aminoácidos y usa 64 combinaciones distintas de tres nucleótidos (codones).

Características del Código Genético

Es un código universal, sin variaciones, que se basa en combinaciones de tres nucleótidos que determinan un aminoácido concreto.
El ribosoma descodifica el mensaje escrito en el ARN de codón en codón.
Es un código degenerado debido a que su número de codones distintos es superior al número de aminoácidos diferentes y hay varios codones que codifican un mismo aminoácido.
No tiene solapamientos, ya que cada tres bases se corresponden con un aminoácido.
Hay un codón de inicio (AUG) que siempre es el mismo y codifica el aminoácido metionina, por lo que este es el primer aminoácido de todas las proteínas, aunque es eliminado.
Algunos codones no codifican ningún aminoácido (codones de terminación) y son interpretados por el ribosoma como el fin de la síntesis de la proteína (UAA, UAG y UGA).

Función del ARNt

El ARNt es la molécula en la que reside la descodificación del código genético y la conversión del lenguaje de nucleótidos al lenguaje de aminoácidos. Esto se debe a su estructura en forma de trébol.

El brazo anticodón tiene un triplete de bases complementarias al codón del ARNm que determina el aminoácido que se unirá a la cadena polipeptídica.
El brazo aceptor contiene los extremos de la molécula. El extremo 3’ acaba en la secuencia CCA (triplete aceptor) y es donde el ARNt se unirá a un aminoácido para formar un aminoacil-ARNt. Los enzimas aminoacil-ARNt sintetasas, específicos para cada aminoácido, catalizan la unión entre el aminoácido y el ARN cuyo anticodón le corresponde. Estos enzimas cuentan con lugares de reconocimiento que permiten que se establezca el enlace entre el aminoácido y el ARNt solo si este tiene el anticodón correspondiente.
Los brazos T y D están implicados en el reconocimiento y en la unión del ARNt al ribosoma.

Fases de la Traducción

Iniciación

Se forma el complejo de iniciación, que implica la unión entre la subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el ARNt. La formación del complejo de iniciación requiere de la acción de factores de iniciación y de la hidrólisis de GTP y tiene lugar en tres etapas:

Unión del ARNm a la subunidad pequeña del ribosoma: El codón de inicio AUG se sitúa en una región determinada de la subunidad ribosómica. Desempeñan un papel importante la CAP del ARNm y una señal de iniciación que se encuentra en la región 5’ de la molécula.
Unión del metionil-ARNt: Gracias a la complementariedad de bases entre su anticodón y el codón de inicio.
Incorporación al complejo de la subunidad grande del ribosoma: Así queda ensamblado el complejo de iniciación con el metionil-ARNt situado en el sitio P.

Elongación

Unión de los aminoácidos que forman la secuencia de la proteína. Es el crecimiento de la cadena polipeptídica y se puede considerar como la repetición de ciclos de elongación. Intervienen factores de elongación y la energía necesaria para el proceso se obtiene de la hidrólisis de GTP. Cada ciclo tiene tres etapas:

Se une un aminoacil-ARNt al sitio A del ribosoma.
Se forma el enlace peptídico entre los dos aminoácidos. Esta reacción está catalizada por la peptidil transferasa.
El ARNt que transfirió el aminoácido es liberado del ribosoma, que avanza en dirección 5’ a 3’ del ARNm, situándose el ARNt que lleva la cadena naciente de nuevo en el sitio P. A medida que un ARNm es leído por un ribosoma, nuevos ribosomas pueden ensamblarse a su codón de inicio (polisoma).

Terminación

Liberación de la proteína sintetizada y la separación de las subunidades del ribosoma. Tras la formación del último enlace peptídico y la translocación de la cadena naciente al sitio P, el triplete del ARNt que queda situado en el sitio A corresponde a un codón de terminación que no es reconocido por ningún aminoacil-ARNt, pero sí por los factores de terminación, que provocan la liberación de la proteína que se acaba de sintetizar y la disgregación del ribosoma.

Regulación de la Expresión Génica

La regulación de la expresión génica es una función celular de vital importancia que les permite a las células responder de forma rápida y eficaz a las condiciones del medio, produciendo proteínas y enzimas solo en el momento y en la cantidad necesaria.

Regulación de la Transcripción

La mayoría de los mecanismos responden a un modelo (regulación cis/trans) que se basa en la presencia en los genes de secuencias reguladoras (elementos cis) a las que se unen proteínas reguladoras (elementos trans). Los reguladores transcripcionales pueden ser de dos tipos:

Reguladores positivos: Activan la transcripción de los genes, reclutando la maquinaria transcripcional a los promotores.
Reguladores negativos: Inhiben la transcripción de los genes impidiendo el acceso de la maquinaria transcripcional.

Ejemplos de Regulación de la Transcripción

Operones en procariotas: Los operones son conjuntos de genes en la misma región del genoma que codifican proteínas diferentes, pero implicadas en procesos bioquímicos relacionados. Su sentido fundamental es producir los enzimas en función de las necesidades.
Remodelación de la cromatina en eucariotas: La regulación de la transcripción desempeña un papel muy importante en la diferenciación celular. La regulación cis/trans tiene un componente adicional de regulación relacionado con la estructura del ADN en forma de cromatina, que puede suponer una barrera para el acceso de la maquinaria transcripcional.

Operón Lactosa en E. coli

Genes estructurales:
- lac Z codifica para la β-galactosidasa, que cataliza la hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa.
- lac Y codifica para la lactosa permeasa, que permite el transporte activo de la lactosa hacia el interior de la célula.
- lac A codifica para una transacetilasa que modifica algunos derivados de la galactosa.

Mutaciones

Las mutaciones son cambios que se producen en el material genético de un organismo debido a errores en la replicación y reparación del ADN o en la repartición de los cromosomas durante la división celular. Se consideran la principal fuente de variabilidad genética en las especies y fundamentales para la evolución biológica.

Tipos de Mutaciones

Según el efecto que producen en el individuo: beneficiosas, perjudiciales, neutras.
Según la causa que las produce: espontáneas, inducidas.
Según el agente que las induce: físicas, químicas, biológicas.
Según la línea celular a la que afecten: somáticas, germinales.
Según la cantidad de ADN afectado: génicas, cromosómicas, genómicas.

Mutaciones Génicas

Son alteraciones de uno o unos pocos nucleótidos de la secuencia de un gen y producen alelos diferentes de ese gen. Pueden producirse:

Por sustitución de nucleótidos:
- Transiciones: Son sustituciones de un nucleótido por otro con una base del mismo tipo.
- Transversiones: Son sustituciones de una base púrica por otra pirimidínica o viceversa.
Por pérdida o adición de nucleótidos: Pueden afectar a uno o más nucleótidos de la cadena y son alteraciones de la secuencia que suponen cambios en la expresión de los genes afectados.

Mutaciones Cromosómicas

Afectan a un segmento de cromosoma e implican a varios genes. Suelen producirse por la rotura de un cromosoma que no es bien reparada y pueden ser:

Deleción: Es la pérdida de un fragmento del cromosoma.
Duplicación: Sucede cuando se repite un fragmento del cromosoma.
Inversión: Es la inversión de la ordenación de un fragmento cromosómico y puede ser pericéntrica o paracéntrica, dependiendo de si el centrómero está incluido en el fragmento invertido.
Translocación: Es la inserción de un segmento de un cromosoma en otro cromosoma. Si el intercambio de fragmentos se da entre dos cromosomas no homólogos, es una translocación recíproca.
Translocación robertsoniana: Es la unión de dos cromosomas telocéntricos o acrocéntricos y suele perderse algún fragmento.

Mutaciones Genómicas

Afectan al número o a la dotación cromosómica característica de la especie y suelen ser producto de fallos en el proceso de división celular y pueden ser:

Euploidías: Si afectan a todo el juego de cromosomas del ser vivo.
- Monoploidías: Si se pierde uno de los cromosomas de cada una de las parejas de homólogos y queda un único cromosoma de cada par.
- Poliploidías: Si se forma más de un juego completo de cromosomas.
Aneuploidías: Son falsas euploidías que solo afectan a un par de cromosomas de toda la dotación y se producen por una separación errónea de cromosomas homólogos o cromátidas en una de las dos divisiones meióticas. Pueden darse tanto en los autosomas como en los cromosomas sexuales. Las más comunes son las monosomías (el mutante acaba teniendo un cromosoma de menos) o trisomías (el mutante acaba teniendo un cromosoma de más).

Consecuencias de las Mutaciones

Si una mutación afecta a los genes de una célula somática, solo tendrá efectos en ella o en las pocas células que produzca al dividirse. Las mutaciones que afectan a una célula germinal se transmiten al descendiente con la reproducción sexual y afectarán a todas sus células a través del desarrollo del cigoto, y el descendiente puede transmitir su mutación a su descendencia.

Consecuencias de las Mutaciones Génicas

Las mutaciones por sustitución no suelen tener efectos a no ser que ese nucleótido forme parte de un triplete de parada o que codifica un aminoácido del centro activo de una enzima. Las mutaciones producidas por adición, que implican un corrimiento en la pauta de lectura, pueden alterar muchos aminoácidos y provocar graves alteraciones.

Consecuencias de las Mutaciones Cromosómicas

Las inversiones y las translocaciones no suelen afectar al organismo. Las deleciones pueden tener graves consecuencias patológicas o ser letales si el fragmento perdido contiene un gran número de genes (cri du chat). Las duplicaciones pueden causar desequilibrios en la expresión de los genes y suponen un aumento del material genético, que puede facilitar la aparición de nuevos genes durante el proceso evolutivo (Pallister Killian).

Consecuencias de las Mutaciones Genómicas

Las aneuploidías visibles son las monosomías y trisomías, que causan síndromes o enfermedades, tanto si afectan a los autosomas como a los cromosomas sexuales (síndrome de Down).

Agentes Mutágenos

Las mutaciones pueden ser causadas por agentes mutágenos, que pueden ser endógenos (presentes en la propia célula) o exógenos (proceden del exterior).

Agentes Mutágenos Endógenos

Radicales libres: Son sustancias que llevan electrones libres, que atacan a los lípidos de las membranas, inactivan enzimas y provocan mutaciones en el ADN mitocondrial. Las mutaciones que causan los radicales libres se relacionan con el envejecimiento celular.
Transposones: Son fragmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición dentro del cromosoma o translocarse a un cromosoma diferente y producen una deleción en el fragmento de ADN que abandonan y una adición en el lugar donde se insertan, con la variabilidad genética que eso implica. Están implicados en el desarrollo de resistencia a antibióticos en bacterias.

Agentes Mutágenos Exógenos

Biológicos

pueden producir cambios en la expresión de los genes, al llevar en el genoma fragmentos de ADN, tomados de una célula que infectaron y que incorporaron a nuevas células que infectann, estas mutaciones pueden tener efectos diversos como la transformación celular o el desenvolvimiento de cáncer en la célula infectada, hepatitis B o papiloma humano. *cancer: enfermedad genética causada por mutaciones en los genes claves que controlan el crecimiento y la división normales de las células y estas células transformadas son capaces de migrar a través de sangre o linfa y extenderse por todo el organismo invadiendo, órganos y tejidos mediante proceso de metástasis. •fisicos: -radicaciones ionizantes: provocan la ionización de los átomos de la sustancias que atraviesa y las destruye como los rayos X que pueden romper los enlaces Covalentes entre los azúcares y los fosfatos de la cadena de ADN, originando mutaciones puntuales y cromosómicas. -radiacion ultravioleta: provoca que 2 bases nitrogenadas pirimidinicas contiguas reaccionen y queden unidos formando dímeros de timina lo que la unión con las bases complementarias, de forma que la replicación y la transcripción se ven afectadas. •quimicos: -modificadores de las bases nitrogenadas (pueden causar la eliminación del grupo, amino de las bases o transformarse en nitrosaminas que producen alienación en las bases y originan mutaciones puntuales, pero pueden inducir cáncer si afectan a genes clave). -análogos a las bases nitrogenadas (son sustancias similares a las bases que pueden ocupar su lugar en el ADN y provocar errores de apareamiento entre las dos hélices). -sustancias intercalantes (son moléculas que se intercalan en la cadena nucleótidos del ADN y provoca mutaciones por inserción o delecion cómo el benzopireno en el humo y en los alcatranes del tabaco). MECANISMOS REPARACION ADN: