Expresión de la información genética

Tema 11 -- La expresión de la información genética
El ADN contiene la información para las instrucciones del desarrollo de los caracteres del organismo, pero
¿cómo puede una molécula de ADN ejercer esta acción sobre todo el organismo? La forma de un ojo,
por ejemplo, va a depender de las caracterÃ−sticas del conjunto de las células que componen ese órgano.
Por tanto, la pregunta correcta serÃ−a ¿Cómo determina el ADN las caracterÃ−sticas de las células? El
ADN tiene la información para hacer todas las proteÃ−nas de la célula, asÃ− como para hacer las enzimas
(controla la producción de todas las demás sustancias celulares) Todas las actividades de la célula están
sujetas a la acción de las enzimas que catalizan sus reacciones, por tanto, el ADN es el componente
fundamental del que depende toda la célula y las reacciones que tienen lugar en ella.
La sÃ−ntesis de proteÃ−nas requiere un control de especificidad, un programa que controle la secuencia
especÃ−fica en cuanto al número y tipo de aminoácidos que forman la proteÃ−na. Este control es ejercido
por los genes de la célula. Los aminoácidos y sus secuencias los determina el ADN.
¿Cómo una secuencia de bases nitrogenadas del ADN dirige la formación especÃ−fica de una proteÃ−na
que esta formada por una secuencia especÃ−fica de aminoácidos? Este es un proceso complejo y muy
importante. Las etapas básicas de este proceso, en que la secuencia de bases del ADN dirige la secuencia de
a sÃ−ntesis de proteÃ−nas, fueron desveladas entre 1955 y 1965 por un gran número de cientÃ−ficos. La
secuencia particular de bases nitrogenadas del ADN representa un mensaje quÃ−mico determinado y
codificado que especifica una secuencia particular de aminoácidos que a su vez formarán las proteÃ−nas.
Los diferentes genes de una célula llevan mensajes distintos y la célula va a ir elaborando proteÃ−nas a
medida que estas instrucciones genéticas se van dictando. El orden de aminoácidos de una proteÃ−na
viene determinado por el orden de la secuencia de bases de un fragmento de ADN. Este proceso no es directo:
el ADN se encuentra en el núcleo pero la sÃ−ntesis de proteÃ−nas se realiza en los ribosomas. Existe una
molécula intermedia que lleva las instrucciones para la sÃ−ntesis de proteÃ−nas desde el núcleo hasta los
ribosomas. Esta molécula es el ARNm. En este proceso el mensaje quÃ−mico el ADN es el transcrito en la
estructura del ARN, que abandona los cromosomas y va hacia los ribosomas, donde se lee esta secuencia de
bases nitrogenadas. AlÃ− es leÃ−do y en función de la secuencia de bases, los aminoácidos se irán
uniendo y sintetizando, formando la proteÃ−na de acuerdo con las instrucciones genéticas (con las
órdenes del ARN)
La primera etapa es el paso de la información del ADN al ARN y se denomina transcripción (ADN ARN) y
la segunda etapa es el paso de la información del ARN a la proteÃ−na y se denomina traducción (ARN
proteÃ−na)
Transcripción: sÃ−ntesis de ARN
El ARN es un ácido nucleico formado por una base nitrogenada (adenina, uracilo, guanina y citosina), una
pentosa (ribosa) y un fosfato. En la sÃ−ntesis del ARN, la molécula de ADN actúa como molde, de tal
manera que el ARN es la copia complementaria de un ADN. El ARN es una cadena sencilla y sus
moléculas son mucho más pequeñas que las de ADN ya que son una copia de un fragmento de ADN.
Esta formado por cuatro tipos de nucleótidos. El azúcar, el fosfato y las bases nitrogenadas. Las diferencias
entre ADN y ARN son:
• En el ARN el azúcar es la ribosa y en el ADN la desoxirribosa (igual que la ribosa pero con un
oxÃ−geno menos)
• En el ARN, la base nitrogenada uracilo sustituye a la timina (base tÃ−pica del ADN), las demás son
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iguales en ambos casos (A, C y G)
• El ARN es una cadena sencilla mientras que la del ADN es de doble hélice.
El proceso de sÃ−ntesis de ARN se denomina transcripción. Si el código de bases nitrogenadas de un
segmento de una cadena de ADN tiene que ser copiado, el primer requerimiento es que este fragmento se
desespiralice y se abra en dos cadenas. La doble hélice de ADN se abre en el fragmento que va a ser
copiado rompiéndose los enlaces de hidrógeno entre las bases (ya que estos enlaces son débiles). Una
de las dos cadenas sirve de molde para que se vayan alineando los nucleótidos de ARN, de tal forma que las
bases del ARN que se sintetizan sean complementarias de las de la cadena de ADN. Una citosina (C) será
copiada por una guanina (G) y una guanina (G) por una citosina (C). Una adenina (A) será copiada por un
uracilo (U) y una timina (T) por una adenina (A). Si hubiera una timina (T) en la cadena de ADN, su
complementaria serÃ−a la A porque en el ADN no hay uracilo (U). En este proceso interviene la ARNpolimerasa y al final del mismo el ARN queda libre, separándose de su molde. El ADN se cierra de nuevo
por apareamiento de sus bases nitrogenadas.
El código especÃ−fico del ADN se imprime en el código del ARNm de la misma manera que un negativo
fotográfico que muestra los objetos oscuros como claros y los claros como oscuros (el complementario)
Estos códigos invertidos del mensajero (el complementario), son el código negativo o invertido que
representa los programas para la sÃ−ntesis de proteÃ−nas. De esta forma, las instrucciones genéticas
copiadas o transcritas del ADN al ARN ya están listas para salir desde el núcleo al citoplasma. Existen
otros fragmentos de ARN (ribosómico y transferente) que no codifican o sintetizan proteÃ−nas.
Estos otros dos tipos de ARN son copiados de la misma manera a partir del ADN, pero tienen otras funciones:
• ARNr constituye más de un 50% de la masa de los ribosomas, es el lugar donde se sintetizan las
proteÃ−nas. Esta sÃ−ntesis de ARNr, tiene lugar en el núcleo (ARN ribosómico)
• ARNt Actúa como transportador de los aminoácidos. Los identifica y transporta de tal manera que
en la sÃ−ntesis de proteÃ−nas, cada aminoácido es llevado al ribosoma por su ARNt especÃ−fico.
Una vez que llega el ARNm al ribosoma, el ARNt coloca los aminoácidos uno a uno, es decir, los
identifica y los transporta hacia el ribosoma. Cada aminoácido tiene un ARNt especÃ−fico que lo
libera en el lugar adecuado, por tanto, se van alineando uno a uno en una secuencia particular dictada
y especÃ−fica.
En la construcción de una proteÃ−na, poniendo un ejemplo:
• ARN m plano de la casa para el arquitecto
• ARN t los albañiles, operarios
• ARN r el solar sobre el que se construye la casa
Traducción: sÃ−ntesis de proteÃ−nas
Una vez en los ribosomas, el ARNt libera al aminoácido en el lugar adecuado de la cadena. Van
alineándose los aminoácidos a lo largo del ARNm, que se van alineando entre sÃ− formando las
proteÃ−nas especÃ−ficas. La secuencia de nucleótidos en el ADN viene a ser una especie de alfabeto de
cuatro unidades. Cuando la información pasa del ADN al ARN mediante la transcripción, el alfabeto sigue
siendo de cuatro bases (la timina es sustituÃ−da por el uracÃ−lo) Para pasar esta información a las
proteÃ−nas hay que pasar por un proceso de traducción, y nos enfrentamos a un “problema lingüÃ−stico”,
es escribir en otro idioma, no copiar. El alfabeto de formación de la proteÃ−na consta de 20 señales, y
¿Cómo se forma a partir de 4 señales?
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Cada aminoácido esta representado por más de una base nitrogenada. Combinamos las cuatro letras para
escribir 20 palabras. Se llegó a establecer que cada grupo de tres nucleótidos o bases, codón, constituye
una palabra en el lenguaje de los ácidos nucleicos y esto es traducido en el lenguaje de los aminoácidos. El
lenguaje del código genético es un código de tripletes que establece la regla de correspondencia entre la
cadena y los aminoácidos (cada triplete tiene un significado en términos de aminoácido) El código
genético es universal, el mismo para todos los seres vivos. Terminó de descifrarse en 1965.
3 bases o 3 nucleótidos un aminoácido
El código genético es un código de tripletes que hace correlacionar codones con aminoácidos. Existen
64 codones posibles de los cuales 61 representan aminoácidos, esto quiere decir que hay más de un codón
para cada aminoácido. Los tres codones restantes indican señales de terminación (STOP), donde se acaba
la proteÃ−na. Aunque no hay una señal especÃ−fica o universal de iniciación, si que es cierto que casi
todas las proteÃ−nas comienzan con el aminoácido METIONINA (codón AUG) Un grado limitado de
generación supone una ventaja adaptativa. Algunos están codificados por más de un codón; por eso se
dice que el código genético está degenerado; algo que tiene una gran valÃ−a para la supervivencia y
adaptación. Es una gran ventaja adaptativa porque si hay una mutación en la letra de una combinación,
habrá un sinónimo que se pueda utilizar (de forma que el triplete no se altere). Se dice que el código
genético está degenerando si existen sinónimos. A pesar de un cambio en la base (por mutación) el
significado del triplete sigue siendo el mismo.
La sÃ−ntesis de proteÃ−nas o traducción se inicia cuando el ARN mensajero llega al ribosoma y se empieza
a leer desde el primer codón hasta que aparezca la primera señal de STOP (de principio a fin) formando la
proteÃ−na. Los aminoácidos no son capaces de reconocer ni interaccionar con sus tripletes correspondientes
(con sus codones) y por tanto existe una molécula que hace de intermediaria, el ARN transferente, que es
especÃ−fica para cada aminoácido. Cada aminoácido es llevado hasta el ribosoma por su ARNt
especÃ−fico. El ARNt tiene dos extremos, uno que se une al aminoácido particular (REGIà N
TRANSPORTADORA), y otro extremo que tiene 3 bases complementarias correspondientes al codón de
finalización de ARNm (ANTICODON O REGIà N DE RECONOCIMIENTO) Estas bases se denominan o
constituyen el anticodón.
El reconocimiento y la unión (acoplamiento) del codón con el anticodón tienen lugar por formación de
enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias. Este proceso asegura que el aminoácido se inserte
en el sitio adecuado. La unión de cada aminoácido con su ARNt, es un proceso que viene regulado por una
enzima especÃ−fica y aquÃ− la exactitud es crucial, porque si a un ARNt se le une un aminoácido que no es
el suyo, será insertado en un sitio que no le corresponde y la proteÃ−na llevará un error. El enlace de un
aminoácido a su ARNt tiene lugar en el citoplasma y se conoce como activación del aminoácido. Este
proceso es una reacción quÃ−mica que requiere ATP como dador de energÃ−a y una enzima especÃ−fica
que se une al primer aminoácido, lo activa y facilita el reconocimiento e interacción (unión) del
aminoácido con su ARNt correspondiente.
La región transportadora es donde se une al aminoácido y está formado por un triplete de bases
nitrogenadas común en todos los tipos de ARNt (ACC) por lo que este triplete o codón no es especÃ−fico.
El otro extremo es el que funciona como región de reconocimiento de los aminoácidos. AquÃ− hay un
triplete de bases que establece el código positivo que es semejante al de ADN (anticodón, reconocimiento
de aminoácidos) El ADN da el código positivo y el ARN negativo, pero al acoplarse se acopla el
complementario, esto es, otra vez positivo. Cuando el ARNt llega al ribosoma, el triplete positivo
(anticodón), es capaz de enlazarse a un triplete ARNm. Los aminoácidos se van colocando a lo largo del
ARNm. La unión final de los aminoácidos para formar proteÃ−nas ocurre a través del enlace
peptÃ−dico, que requiere ATP, con liberación de una molécula de Hâ……O. La elaboración de cada tipo
de proteÃ−nas está controlada por unos genes. Una cadena terminada, se suelta de sus conexiones de ARN y
va a formar parte del conjunto estructural o funcional de cualquier órgano. Otras proteÃ−nas pueden ser
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catalizadoras, que determinan las reacciones.
Resumen de la sÃ−ntesis de proteÃ−nas
El ARNm se une al ribosoma y se empieza a leer en tripletes. El primer codón del ARNm interacciona con el
anticodón del ARNt, que arrastra ya un aminoácido (el primero suele ser METIONINA AUG). A
continuación se lee el segundo codón que interacciona con su anticodón correspondiente que lleva el
segundo aminoácido de la cadena. El ARNt del primer aminoácido queda libre y sale del ribosoma
dispuesto a coger nuevos aminoácidos mientras se sintetizan los anteriores, el 1 y el 2, mediante un enlace
peptÃ−dico. El proceso continúa de la misma forma, creciendo la cadena de aminoácidos hasta que
finalmente llega al codón de terminación, liberándose la proteÃ−na recién sintetizada. Una vez
finalizada la formación de la proteÃ−na el ARNm puede ser reutilizado. Es muy frecuente que, antes de que
se finalice una proteÃ−na, ya se estén sintetizando otras. El ARNm finalmente se degradará (su duración
no es fija)
La construcción de una proteÃ−na es un proceso increÃ−blemente eficaz. Los aminoácidos se incorporan a
la proteÃ−na aproximadamente a la velocidad de 100 por segundo. Nuestras células hacen más de un
millón de enlaces peptidicos en una célula por segundo. La formación de una proteÃ−na llevará menos
de un minuto. El cuerpo humano contiene muchisimas proteÃ−nas y nuestras células la están elaborando
(reponiendo) contÃ−nuamente. Tenemos alrededor de 60.000 tipos de proteÃ−nas diferentes.
Mutaciones
Para la efectividad del material genético necesitamos estabilidad en las copias de los genes. Mediante el
proceso de replicación del ADN se forman estructuras inalteradas generación tras generación, pero a veces
no ocurre asÃ−. La herencia es un proceso conservador, pero no completamente, ya que a veces se cometen
“errores” en cuanto a su cantidad, su secuencia… y las células hijas difieren de sus progenitores en la
secuencia de bases nitrogenadas, en la longitud o cantidad del ADN…Estos cambios en el material genético
se llaman mutaciones y se transmiten generación tras generación (son estables y se transmiten)
Esto dará como resultado una proteÃ−na alterada. El cambio a veces puede ser enorme. Las mutaciones
ocurren con una frecuencia baja y al azar, por lo que se pueden predecir. Se puede producir mutaciones a
propósito, es decir, se pueden provocar con agentes mutagénicos, rayos X, radiaciones... Las mutaciones
no son siempre perjudiciales, negativas; en algunas ocasiones el gen mutado puede dar lugar a una proteÃ−na
más efectiva siendo un avance para el organismo. Estas mutaciones suponen una fuente de variabilidad para
la adaptación de las especies. Aunque también ocurren a nivel cromosómico, ahora veremos las
mutaciones génicas. Las mutaciones génicas suponen cambios de 1 o 2 nucleótidos, de bases
nitrogenadas de un gen. Hay varios tipos:
• Sustitución cambio de las bases nitrogenadas en una posición del triplete (es el cambio más leve)
• Pérdida o delección perdida de uno o varios nucleótidos o bases (ACCG CCG)
• Adición o inserción suma de 1 o más nucleótidos, bases nitrogenadas (ACCG ACCGA)
Un único cambio en una base, puede producir un cambio en la funcionalidad o en la capacidad estructural de
la proteÃ−na formada. Las mutaciones suponen una fuente de variabilidad pudiendo ser el motor de la
evolución.
Consecuencias de las mutaciones
El efecto primario de la mutación de un gen es el cambio en una proteÃ−na y ese cambio puede afectar a uno
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o a muchos aminoácidos, puede suponer la pérdida de una proteÃ−na…
Algunas enfermedades producto de mutaciones son:
• Albinismo falta de pigmento oscuro de la piel (melanina) En la producción de la melanina interviene
la Tirosinasa, que cataliza la reacción de producción de melanina a partir de la Tirosina. El gen
normal codifica la Tirosinasa y cataliza la reacción. Los individuos albinos tienen el gen mutante
que produce una inactividad de la Tirosinasa, por lo que no se produce Melanina (carencia de
pigmento por inactivación de la Tirosinasa) Esta enfermedad, esta producida por un par de genes.
Una de cada 20 000 personas son incapaces de sintetizar la Melanina (mutación de carácter
enzimático)
• Fenilcetonuria (FCU o PKU) Enfermedad causada por un gen recesivo. Entre los sÃ−ntomas es
común el retraso mental agudo y desordenes convulsivos. No pueden metabolizar adecuadamente el
aminoácido fenilalanina, que en individuos normales se transforma en tirosina. Este paso esta
catalizado por la fenilalanina hidrolasa y a estos enfermos les falta el gen para producirla. Acumulan
fenilalanina y sus derivados en la sangre y se convierte en derivados anormales: el ácido
fenilpirúviso, que dañan el tejido cerebral, es decir, que afecta al cerebro (mutación de carácter
enzimático) Los niños afectados por fenilcetonuria en su sangre y orina tienen mayores niveles de
fenilalanina y sus derivados.
La fenilalanina y la tirosina son dos aminoácidos esenciales para nuestra vida y una parte importante de las
proteÃ−nas. En general, su suministro esta bien cubierto por la alimentación. De cada 10.000 personas
nacidas, 1 padece fenilcetonuria porque sus dos alelos son defectuosos.
Los sÃ−ntomas serÃ−an: severo retraso mental con puntuaciones menores de 30 en CI (solo un 1% de FCU
tienen puntuaciones de CI mayores de 60) La mayorÃ−a sufre desordenes convulsivos y otros signos de
difusión neurológica (reflejos exagerados, anomalÃ−as posturales…. Muchos mueren antes de alcanzar los
30 años (menos esperanza de vida) Los individuos con FCU son rubios, de constitución pequeña, con
ojos claros, color de piel clara, etc La enfermedad puede considerarse como una enfermedad del hÃ−gado
porque la fenilalanina es especÃ−fica del mismo (la enzima es hepática) ¿Cómo se llega del hÃ−gado al
SNC? El que afecte al cerebro puede deberse a que niveles altos de fenilalanina sean perjudiciales para el
desarrollo del Sistema Nervioso (alto nivel de la enzima en sangre provoca alteraciones corticales) Se han
desarrollado tratamientos sobre la base de las perturbaciones quÃ−micas y cuanto existen una alta
concentración de fenilalanina en sangre, cuando se identifica la fenilcetonuria, a los individuos afectados se
les somete a una dieta especial baja en fenilalanina y rica en otros aminoácidos esenciales. Se ha demostrado
que los individuos que han seguido este tratamiento muy tempranamente muestran un CI mayor que
individuos que no lo recibieron (valores significativamente más elevados)
• Anemia falciforme Efecto de una mutación de un gen que no tiene carácter enzimático (es de
carácter proteÃ−nico) Esta enfermedad se produce por una mutación en un gen que codifica la
proteÃ−na de la sangre: la hemoglobina, transportadora de oxÃ−geno en todo el cuerpo. La
hemoglobina de los individuos que tienen anemia falciforme difiere únicamente en un aminoácido
de la hemoglobina normal. Sin embargo, este pequeño cambio hace que la hemoglobina mutante
adquiera una estructura muy diferente al de la hemoglobina normal (una conformación espacial
diferente) El glóbulo rojo va a adquirir una forma de media luna distinta de la forma de disco
(circular) de los glóbulos normales. Estos glóbulos con forma de hoz tienen una vida más corta y
se va a producir una situación de anemia que puede llegar a ser mortal (parálisis, alteraciones
reanales…) Se acumulan provocando falta de oxigeno y provoca anemia. Sus sÃ−ntomas se basan en
que origina debilidad, escaso desarrollo, problema renal, reumatismo, parálisis, etc.
Todas las proteÃ−nas pueden sufrir mutaciones, pero no tienen porque ser todas malas.
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Regulación de la expresión genética
Cualquier tipo de célula tiene información para sintetizar miles y miles de proteÃ−nas diferentes. Sin
embargo, solo una fracción de esta información se utiliza en un momento dado, es decir, no hay ninguna
célula que sintetice a la vez todas las proteÃ−nas que puede sintetizar con su información. Por tanto, debe
existir algo que regule la sÃ−ntesis de proteÃ−nas, la expresión genética debe ser regulada.
Decimos que un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce a una proteÃ−na. Todas las células de
nuestro cuerpo tienen los mismos genes; el que en un organismo se sinteticen unas proteÃ−nas y en otro otras,
no se debe a que tengan diferentes genes. Diferentes células expresan diferentes genes. Todos los procesos
de diferenciación del organismo se explican por las diferencias de la expresión genética. Esta diversidad
de proteÃ−nas no se debe a diferentes genes, sino que todas tienen la misma información en su ADN y
difieren entre sÃ− porque expresan diferentes genes.
Existen muchas posibilidades de regulación genética. Cuando no se requiere una proteÃ−na, hay varias
posibilidades: ésta proteÃ−na puede ser inactivada o degradada. Pero este proceso no es muy rentable.
Más económico para la célula serÃ−a inactivar o degradar el ARN antes de que se traduzca a
proteÃ−nas. Pero todavÃ−a no es lo suficientemente económico. Sin duda, el sistema más económico es
inactivar el gen del ADN para que no se transcriba y no se produzca.
Existen diferentes posibilidades para incrementar la sÃ−ntesis de proteÃ−nas: aumentar el número de genes
que controlan la proteÃ−na, incrementar la velocidad de transcripción, disminuir la velocidad de
degradación del ARN (que será traducido más veces), aumentar la tasa de traducción, hacer más
estable la proteÃ−na (aumentar su vida media)…todos estos pasos se dan en la naturaleza. Estos mecanismos
no están perfectamente estudiados. Sin duda, uno de los procesos más importantes para la célula y de los
más estudiados es el control de la transcripción (activación o inactivación de genes)
A principios de los años 60, en el instituto Pasteur de ParÃ−s, Jacob y Monod propusieron un modelo para
explicar el mecanismo por el cual los genes eran activados y reprimidos, y lo llamaron modelo de Operon.
Observaron unas bacterias, la Escherichia Coli (célula procariota, muy común en el intestino de los seres
humano) y vieron que cuando crecen en un medio rico en glucosa, sintetizan todas las enzimas que van a
catalizar las reacciones de degradación de la glucosa, obteniendo energÃ−a. Observaron que, cuando a estas
bacterias se las pasaba a un medio con otro azúcar distinto (lactosa) sintetizaban enzimas que catalizaban las
reacciones para degradar completamente la lactosa, y reprimÃ−an la sÃ−ntesis de las enzimas que utilizaban
para degradar la glucosa. Esta capacidad de adaptación al medio, supone una ventaja evolutiva.
Según el modelo del Operon, los genes que codifican para las enzimas de una misma ruta metabólica y que
se van sintetizando de una manera coordinada o secuencial, están situados de forma adyacente y se
denominan genes estructurales. Todos estos genes estructurales están controlados por otro gen adyacente y
que se denomina gen operador. A su vez, el gen operador está controlado por el producto de un gen
(proteÃ−na) y es el gen regulador que normalmente está alejado de los otros. El producto de este, se
denomina proteÃ−na represora, (represor, molécula represora) que interacciona con el operador y lo inhibe,
con lo que inhibe la expresión de los genes estructurales.
Solamente cuando en el medio donde se encuentra la célula existe un inductor o molécula inductora o un
inductora (glucosa) que inactive a la proteÃ−na represora (interactuando con ella), quedando el operador
libre, se produce la expresión de los genes estructurales (que se transcribirán y traducirán a proteÃ−nas)
La molécula inductora suele ser la primera de la ruta que requiere la actividad de las enzimas (glucosa) A
este sistema se le denomina inducible. En un sistema inducible, el represor se inactiva por medio de la acción
de un agente inductor y el operón al desbloquearse permite la expresión de los genes.
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Hay otro tipo de sistema que se activa de igual modo para el proceso contrario. Los genes se encuentran
activos pero, cuando hay mucha cantidad de proteÃ−nas (de producto final), se inactiva el operador por medio
de un represor. Los productos proteicos elaborados por el operador se combinan con el exceso de producto
final (represor y correpresor van a interaccionar) y se inhibe la expresión de los genes estructurales. Este
serÃ−a el caso de los genes reprimibles o sistemas represibles. Este control a través de los operones ahorra
energÃ−a de la célula y le permite adaptarse al ambiente. Los compuestos que entran en la célula como
alimento pueden funcionar como inductores para la activación de las enzimas.
En los organismos eucariotas superiores, no se han encontrado sistemas de este tipo. Se han encontrado
regiones reguladoras en el ADN capaces de activar o inactivar los genes.
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