BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 2º BACHILLERATO
BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA

GENÉTICA MOLECULAR

SÍNTESIS DE ARN (TRANSCRIPCIÓN)

1. GENES Y PROTEÍNAS

Los genes están formados por ADN. El ADN es la molécula portadora de la información genética. Sin embargo, las funciones vitales (el metabolismo) son llevadas a cabo por proteínas. Por ello, debe existir un mecanismo que permita 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: transcripción  (síntesis de ARN) y traducción (síntesis de proteínas). A. Transcripción: biosíntesis de ARN En la 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. 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. B. Traducción: biosíntesis de proteínas 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.

2.1 EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Y

EUCARIOTAS

Aunque la expresión de los genes es un proceso universal, existen diferencias entre procariotas y eucariotas debido a las peculiaridades de su estructura:

3. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS.

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, posteriormente, salir al citoplasma por los poros nucleares, unirse a los ribosomas y contribuir a la traducción. Además, mitocondrias y cloroplastos, como poseedores de material genético en forma de ADN, también realizan transcripción y traducción. En cualquier caso, 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, ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U, y la enzima ARN polimerasa II. El proceso consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación, seguidas de una maduración postranscripcional del ARNm.

3.1. ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA SÍNTESIS DEL

ARNm

a. Una cadena de ADN molde. De las dos cadenas del ADN, sólo se transcribe una (hebra molde), mientras la complementaria no lo hace (hebra informativa o 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 (no existe ningún 0). 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. b. Ribonucleótidos. Los ribonucleótidos de A, G, C y U deben estar activados, es decir, en su forma trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP), 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. c. La ARN polimerasa II o transcriptasa. 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 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.

3.2. ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN DEL ARNm

En eucariotas, la mayoría de genes están fragmentados, por lo que se transcriben tanto los intrones como los exones. La transcripción consta de 3 etapas sucesivas: iniciación, elongación y terminación. Sin embargo, el ARNm así obtenido (ARNm transcrito primario o pre-ARNm) debe pasar una fase de maduración antes de salir del núcleo. INICIACIÓN La transcripción en eucariotas es un proceso muy complejo. Para asegurarse de la eficacia y precisión del mismo existen tres clases de secuencias reguladoras en los genes: el promotor, las secuencias potenciadoras y las secuencias silenciadoras. Todas ellas son activadas mediante factores de transcripción. a. El promotor: es la secuencia más cercana al inicio de la transcripción, está formado por las secuencias -25 TATA  (TATA box), -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. b. Secuencias potenciadoras (enhancers): están mucho más lejos (-200 a -10.000). A ellas se unen lo factores activadores de la transcripción cuyas funciones son: o Desempaquetar la cromatina, disociando las histonas, y desenrollar el ADN para hacer accesible el promotor. o Facilitar la unión de los factores basales con la ARN pol II, a través de los coactivadores, incrementando la velocidad de síntesis. c. Secuencias silenciadoras (silencers): 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. 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.

3.3 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. Consiste en la unión, en el extremo 5’, de una “caperuza” de metil-guanosina trifosfato (cap). Esta “caperuza” protegerá al pre-ARNm de las nucleasas. 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. Sin embargo, algunos organismos (ciertos hongos, mitocondrias, cloroplastos, bacterias, virus...) poseen intrones autocatalíticos (ribozimas) y no necesitan 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.
P RO C A RI O T A S E U C AR I O T AS
G EN ES
G en es c on t in u os :  t o d a   l a  i n f o r m a c i ó n   q u e   c o nt i e ne n  s i r v e   p a r a   s i nt e t i z a r   p r o t e í na s .
G en es  f r a gm en t a do s :   l o s  g e n e s  co n st a n   d e   ex o n es ( se cu e n ci a s  q u e   se   t r a n scr i b e n   y t r a d uc e n)   e   in t r on e s ( q u e   s e   t r a n s c r i b e n   p e r o   n o   s e   t r a d uc e n,   p ue s   s e  e l i m i na r á n e n  l a  m ad u r ac i ó n ).
A DN
E l   A DN s ó l o   l l e v a  a s o c i a d o  a l g u n a s   p r o t e í n a s   n o   hi s t ó ni c a s .   E s   p o c o e m p a q u e t a d o   e s   d e   f á ci l   a cce so .
A DN a s o c i a d o   a   h i s t o n a s   e n   l a   c r o m a t i n a .   D en s a m en t e  em pa qu et a do y   d e  d i f í ci l  a cce so . D e b e   s e r   d e s e m p a q u e t a d o   a n t e s   d e   l a   t r a n s c r i p c i ó n .
A RN   P O L I M E RA S A
U n a   ú n ic a   A R N   p olim e r a s a p e r m i t e   s i n te ti z ar t o d o s   l o s   A R N :  A R N m ,   A R N r  y A R N t .
T r e s   t ip os   d e   A R N   p olim e r a s a : A R N  p o l i m e r a s a   I :  p a r a   e l  A R N r A R N   p o l i m e r a s a   I I :   p a r a   e l A R N m A R N   p o l i m e r a s a   I I I :   p a r a   e l   A R N t   y   o t r o s   d e   p e q u e ñ o   t a m a ñ o .
LO C A LI Z A C I Ó N
A l   c a r e c e r   d e   n ú c l e o ,   t r a n scr i p ci ó n  y t r a d uc c i ó n  s e   d a n   e n   e l m is m o   lu g a r   y  a l m is m o  t ie m p o .   S u c e d e n   e n   e l   c it op la s m a  y l a  t r a d u c c i ó n   c o m i e n z a  a n t e s   d e  a c a b a r   l a  t r a n s c r i p c i ó n .
L a   t r a n scr i p ci ó n   se   d a   e n   e l   núc l e o .   L u e g o ,  l o s  A R N m ,   A R N r y  A R N t   s a l e n  a l  c i t o p l a s m a   ( b i e n   citosol o  b ie n  a l R ER )   d on d e   l os   r i b os om a s   r e a l i z a r á n   l a  t r a d u c c i ó n .
T I P O S  D E G EN ES
Lo s   g e n e s   p r oc a r iot a s s u e l e n  s e r   p olic is t r ón ic os , e s   d e c i r ,   q u e   l o s   A R N m   t r a n s c r i t o s   c o n t i e n e n   i n f o r m a c i ó n   p a r a   v a r i a s   ca d e n a s  p e p t í d i ca s.   P o r   e l l o ,   t i e n e n   v a r i o s  p u n t o s  d e   in ic ia c i ó n   y   d e   t e r m in a c n .
L a   m a y o r í a   d e   l o s   gen es   eu c a r i o t a s s o n  m on oc is t r ón ic os : s u  t r a ns c r i p c i ó n  o r i g i na   un  A R N m   c uy a   t r a d uc c i ó n  s ó l o   f o r m a r á   una   c a d e na   pe pt í di c a .
M A DU R A C I Ó N   D E L   A RN   T RA N S C RI T O
S ó l o   h a y  m a d u r a c i ó n  p a r a  e l   A R N   t r a n s c r i t o   p r i m a r i o   q u e   d a r á   l u g a r   a l   A R N t   y   A R N r .
H a y   m a d u r a ci ó n   e n   l o s  A R N   t r a n scr i t o s  p r i m a r i o s  d e   t o d o s  l o s  t i p o s  d e   A R N : A R N m ,  A R N r y  A R N t .
“Para ir a donde no se sabe hay que ir por donde no se sabe.” San Juan de la Cruz “It must be a strange world not being a scientist, going through life not knowing--or maybe not caring about where the air came from, where the stars at night came from or how far they are from us. I WANT TO KNOW” Michio Kaku