EXPRESIÓN Y REGULACIÓN DE LOS GENES · Otros tipos de ARN: virales, ARN enzimático llamado...
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UCR- Sede de Guanacaste Biología General Capítulo 12 1 EXPRESIÓN Y REGULACIÓN DE LOS GENES Proteínas: Son los “trabajadores moleculares” de la célula, que construyen muchas de sus estructuras celulares y las enzimas que catalizan sus reacciones químicas. ADN: Proporciona las instrucciones para la síntesis de las proteínas a través de intermediarios ARN ARN: molécula que lleva la info del ADN hasta el citoplasma donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas. ADN Codifica la síntesis de muchos tipos de ARN, tres de los cuales cumplen funciones específicas en la síntesis de proteínas: ARN mensajero: ARNm Lleva las instrucciones para la construcción de la proteína ARN ribosómico: ARNr Principal componente de los ribosomas ARN de transferencia ARNtEntrega los aminoácidos a los ribosomas Otros tipos de ARN: virales, ARN enzimático llamado ribozima y otros. Los ribosomas, formados por ARNr y proteínas, son las estructuras sobre las cuales se unen aminoácidos para formar proteínas. Subunidad pequeña tiene sitios de enlace para: 1- El ARNm, 2- ARNt de inicio (carga aminoácido metionina) y 3- proteínas Todos forman el complejo de pre-iniciación, esencial para ensamblar el ribosoma y comenzar la síntesis de proteínas Sub unidad grande tiene: 1- sitios de enlace para dos moléculas de ARNt 2- sitio catalítico para unir los aminoácidos unidos a las moléculas de ARNt Estructura y función del ARNt En el citoplasma se encuentran aminoácido libres y moléculas de ARNt. Cada ARNt tiene un gancho molecular donde puede unirse a aminoácidos. El ARN tiene ANTICODONES, tripletes de nucleótidos específicos complementario a los codones del ARNm
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Biología General
Capítulo 12
1
EXPRESIÓN Y REGULACIÓN DE LOS GENES
Proteínas: Son los “trabajadores moleculares” de la célula, que construyen muchas de sus
estructuras celulares y las enzimas que catalizan sus reacciones químicas.
ADN: Proporciona las instrucciones para la síntesis de las proteínas a través de
intermediarios ARN
ARN: molécula que lleva la info del ADN hasta el citoplasma donde se lleva a cabo la
síntesis de proteínas.
ADN Codifica la síntesis de muchos tipos de ARN, tres de los cuales cumplen funciones
específicas en la síntesis de proteínas:
ARN mensajero: ARNm Lleva las instrucciones para la construcción de la proteína
ARN ribosómico: ARNr Principal componente de los ribosomas
ARN de transferencia ARNtEntrega los aminoácidos a los ribosomas
Otros tipos de ARN: virales, ARN enzimático llamado ribozima y otros.
Los ribosomas, formados por ARNr y proteínas, son las estructuras sobre las cuales se unen
aminoácidos para formar proteínas.
Subunidad pequeña tiene sitios de enlace para:
1- El ARNm,
2- ARNt de inicio (carga aminoácido metionina) y
3- proteínas
Todos forman el complejo de pre-iniciación, esencial para ensamblar el ribosoma y
comenzar la síntesis de proteínas
Sub unidad grande tiene:
1- sitios de enlace para dos moléculas de ARNt
2- sitio catalítico para unir los aminoácidos unidos a las moléculas de ARNt
Estructura y función del ARNt
En el citoplasma se encuentran
aminoácido libres y moléculas de ARNt.
Cada ARNt tiene un gancho molecular
donde puede unirse a aminoácidos.
El ARN tiene ANTICODONES, tripletes
de nucleótidos específicos complementario
a los codones del ARNm
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Pasos del ADN a Proteínas
1) ADN es transcrito a ARN: Ocurre en el núcleo. ARN se mueve al citoplasma.
2) ARN es traducido a cadenas de polipéptidos, las cuáles se doblan para formar las
proteínas
Comparación de la Transcripción y Replicación del ADN
Como en la replicación del ADN: Durante la transcripción, los nucleótidos son
agregados en dirección 5`a 3`.
Diferente a la replicación del ADN: en la transcripción solo participan pequeñas
porciones de la cadenas de ADN, la ARN POLIMERASA cataliza la adición de
nuevos nucleótidos a la cadena de ARN, el producto es una cadena sencilla de ARN.
La información del ADN se usa para dirigir la síntesis de proteínas en dos procesos
llamados transcripción y traducción:
TRANSCRIPCION
Un gen es un segmento de ADN que puede ser copiado o transcrito en ARN. La
información contenida en el ADN de un gen particular es copiada en el ARNm.
La Transcripción consta de tres etapas:
1- Iniciación
2- Elongación
3- Terminación
Así mismo todo gen se divide en tres partes:
1- region promotora al inicio del gen, donde comienza la transcripción (secuencia
de bases).
2- Cuerpo de gen, donde ocurre la elongación de la hebra de ARN.
3- Señal de terminación al final del gen
Apareamiento de bases durante la transcripción
Apareamiento de bases durante la replicación
del ADN
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-La transcripción es iniciada por un Promotor: Una secuencia de bases en el ADN que
señala el inicio de un gen. Para que la transcripción ocurra, la ARN polimerasa debe de
unirse a un promotor en el ADN.
Promotor: en eucariontes consta de dos regiones principales:
1. Secuencia corta de bases, muchas veces TATAAA, que enlaza la ARN polimerasa
2. Una o más secuencias diferentes, llamadas sitios de enlace de los factores de
transcripción.
Factores de transcripción: proteínas celulares que al unirse a sitios de enlace
de los factores de transcripción, refuerzan o suprimen el enlace de la ARN
polimerasa con el promotor y así refuerza o suprimen la trascripción de un
gen.
La ARN polimerasa inicia la transcripción en la región promotora en el ADN. La enzima se
desplaza a lo largo de la cadena de ADN uniendo nucleótidos adenina, citosina, guanina y
uracilo en la cadena del ARN según corresponda.
Durante la transcripción, la doble hélice del ADN comienza a desdoblarse en frente de la
ARN polimersa. Pequeños segmentos de ARN nuevo se unen brevemente al molde de
ADN. Los nuevos segmentos de ARN se desenrrollan del molde y las dos hebras del ADN
se unen nuevamente.
Qué sucede en el sitio de ensamblaje? La ARN polimerasa cataliza el ensamblaje de
ribonucleótidos, uno después de otro, en la cadena de ARN, usando las bases expuestas de
ADN como molde. Muchas otras proteínas asisten en este proceso. Cuando la polimerasa
de ARN llega a una secuencia de bases de ADN conocida como señal de terminación la
cadena formada de ARN se libera del ADN molde.
Molécula de ARN recién formada Molde del ADN en el sitio seleccionado de la
transcripción
ADN sin desdoblar
Molde desdoblado de ADN
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Crecimiento del transcrito de ARN
En un extremo de la región del gen, la última cadena del nuevo transcrito se desenrolla y se
libera del ADN molde. Abajo se muestra un modelo para un filamento transcrito ARN.
En células eucariontes las moléculas de ARN recién formadas (pre-ARN) deben de ser
modificadas antes de que sus instrucciones para la síntesis de proteínas puedan ser útiles.
La mayoría de los genes eucariontes contienen
–INTRONES: Secuencias de bases que no codifican para proteínas y deben ser
retiradas de la molécula de pre-ARN para que pueda ser traducida.
5`
5` 3`
Dirección de la transcripción 3`
Crecimiento del trascrito de ARN
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–EXTRONES: Segmentos del ARNm que se expresan en proteínas. Partes que
quedan en el ARNm cuando se realiza la síntesis de proteínas.
TRADUCCIÓN:
La secuencia de bases del ARNm codifica la secuencia de aminoácidos de una proteína. En
la síntesis de proteínas se descifra esta secuencia. Con la participación de el ribosoma
completo, proteínas, ARNm y muchos ARNt se ensambla la proteína.
CÓDIGO GENÉTICO
Diccionario que permite pasar del lenguaje de nucleótidos al lenguaje de aminoácidos.
Traduce la secuencia de las bases de los ácidos nucléicos a la secuencia de aminoácidos de
las proteínas.
Los ribosomas leen las bases nitrogenadas de 3 en 3 (tripletes)
Los tripletes en el ARNm se llaman Codones
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La metionina (codon de inicio) es el primer aminoácido unido a una cadena
polipeptídica.
Hay 3 codones que participan deteniendo la traducción. Evitan que se unan más
aminoácidos.
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De acuerdo al código genético, los aminoácidos que corresponden a cada uno de los
codones del ejemplo son: Valina- Serina – Serina- Metionina.
Otro ejemplo del funcionamiento del código genético se presente a continuación: se
observa en la image la cadena de ADN utilizada como molde para sintetizar la molécula de
ARNmensajero. Lueo la forma en que se da la lectura del ARNm por tripletes o codones.
ADN
ARNm
Codones del ARNm
Treonina Prolina Glutamato Glutamato Lisina
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LA TRADUCCIÓN SE DIVIDE EN TRES ETAPAS:
Iniciación, Elongación, Terminación
INICIACIÓN
-El ARNt iniciador se une a la sub-unidad
pequeña del ribosoma.
-Estos se unen con el ARNm y se mueven a
lo largo de este, hasta encontrar el codón de
iniciación AUG.
-La sub-unidad grande del ribosoma se une
al complejo
ELONGACIÓN
-El ARNm pasa a través de las sub-unidades
ribosomales.
-El ARNt acarrea los amino ácidos hasta el
sitio de unión, en el orden específico según
el ARNm.
-Los enlaces peptídicos se forman entre los
aminoácidos y la cadena polipeptídica crece.
Una cadena polipeptídica se ensambla
conforme el ARNm pasa entre las dos
subunidades ribosomales
TERMINACIÓN
-Se llega hasta un codón de terminación en el ARNm.
-Factores de liberación se unen al ribosoma.
-El ARNm y el péptido se liberan.
-Las subunidades del ribosoma se separan
Iniciación de la traducción.
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Qué sucede con la nueva cadena polipeptídica?
-Algunas permanecen en el citoplasma.
-Otras entran al retículo endoplasmático y se mueven a través del sistema de membranas en
donde el péptido es modificado.
MUTACIONES
Cualquier daño que sufra la molécula de ADN durante la replicación repercutirá en la
proteína que codifique el gen afectado. Las consecuencias para la estructura y función de
un organismo dependen de cómo afecta la mutación el funcionamiento de la proteína
codificada por el gen mutado.
Casi todas las mutaciones pueden clasificarse como sustituciones, supresiones, inserciones,
inversiones o translocaciones.
Las mutaciones producen materia prima para la evolución. Las mutaciones en los gametos
pueden transmitirse a las siguientes generaciones.
Son esenciales para la evolución, porque estos cambios aleatorios de la secuencia de ADN
son la fuente definitiva de toda la variación genética. Ocasionalmente una mutación resulta
benéfica para las relaciones del organismo con su entorno. Al paso del tiempo con la
reproducción, la secuencia de bases mutante se transmite a toda la población, pues los
organismos que la tienen superan y se reproducen más que los rivales que llevan la
secuencia de base original.
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SUSTITUCIONES PUNTUALES: Una base es sustituida por otra en la secuencia de
nucleótidos.
Sustitución de nucleótidos en un gen que codifica una proteína, produce uno de cuatro
resultados:
1) La proteína no cambia: el nuevo codón codifica la misma proteína.
2) La nueva proteína es funcionalmente equivalente a la original.
3) La función de la proteína cambia por una secuencia alterada de aminoácidos.
4) La función de la proteína queda anulada por un codón de término prematuro.
Supresiones e inserciones
Estas mutaciones se producen cuando se suprimen pares de nucleótidos o se insertan pares
de nucleótidos en la cadena de ADN. Los efectos de estas mutaciones dependen de cómo se
retiren o agregue muchos nucleótidos. Al hacerse la lectura de la molécula de ARNm y
aplicar el código genético, se modifica totalmente la lectura que se haga.
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Agregar o quitar tres nucleótidos agrega o quita un aminoácido y el resto de la proteína
queda igual. Agregar o quitar uno o dos nucleótidos, hace que la lectura de codones se corra
totalmente, cambiando todos los aminoácidos de ahí en adelante.
Inversiones y translocaciones
Ocurren cuando segmentos del ADN (a veces casi todo o todo un cromosoma) se rompen y
se vuelven a unir, ya sea en el mismo cromosoma o en uno diferente.
Pueden ser benignas si genes completos con sus promotores pasan de un lugar a otro.
Si un gen se divide en dos, ya no va a codificar una proteína completa y funcional.
Ejemplo:
Casi la mitad de los casos de hemofilia grave son causados por una inversión del gen que
codifica una proteína necesaria para coagular la sangre
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Tasa de mutación
Cada gen tiene su tasa de mutación característica.
En promedio los eucariotas tienen entre 10-4 y 10-6 por gen por generación
Solo las mutaciones que se dan en la línea germinal pueden pasar a la siguiente
generación.
MUTÁGENOS
Radiaciones (rayos X): Producen esterilidad en plantas, animales y hombre. También
afectan a los tejidos como huesos, nervios, músculos, hígado, riñón, etc.
Radiaciones Ultravioleta): Pueden dar origen a aberraciones cromosómicas. Afecta
directamente las moléculas de ADN
Químicos sintéticos y naturales.
Pesticidas: el hombre se expone por ingestión de residuos tóxicos o por contacto directo
con estos productos durante su manejo: DDT:insecticida sintético. Se ha probado su
mutagenicidad en ratas y células humanas in vivo.
Alimentos y aditivos de la alimentación: Sacarina: edulcorante que se utiliza como
sustitutivo del azúcar.
Ha resultado mutagénico en pruebas en Salmonella-microsomal.
Fármacos y drogas: Antibióticos como mitomicina, estreptonigrina, azaserina y fleomicina:
se utilizan como agentes antineoplásicos.Son mutágenos e inducen aberraciones
cromosómicas.
Productos industriales: Formaldehído: se utiliza en la fabricación de resinas sintéticas, en
industria textil y del papel, como desinfectante de semillas y fungicida.
Su mutagenicidad ha sido demostrada en Drosophila, Neurospora y E.coli.
REGULACIÓN EN LA EXPRESIÓN DE UN GEN
Ocurre en:
1) La transcripción: qué genes se usan para hacer ARNm
2) Traducción: cuanta proteína se hace a partir de un tipo de ARNm
3) Actividad protéica: cuanto dura la proteína en la célula y con qué rapidez cataliza
reacciones específicas.
Procariontes
El ADN procarionte se organiza en
paquetes llamados operones en los que
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los genes de funciones relacionadas se
depositan unos junto a otros.
Operón:
1. Gen regulador: controla el
momento o velocidad de
transcripción de otros genes.
2. Promotor: la ARN polimerasa
lo reconoce como el lugar
donde se empieza la
transcripción.
3. Operador: regula el acceso de
la ARN polimerasa al
promotor
4. Genes estructurales: codifican
enzimas relacionadas
Eucariontes
Al igual que en procariontes no todos los genes se transcriben y traducen todo el tiempo y
un importante mecanismo de regulación es el control de la velocidad de transcripción.
Pasos de la regulación:
1. Las células pueden controlar la frecuencia a la cual se transcribe un gen: depende de
la demanda o el producto ARN que codifican.
La transcripción varía
• entre organismos,
• entre células de un organismo
• en una célula dada en diferentes fases de la vida del organismo o
• cuando es estimulada por distintas condiciones ambientales
2. El mismo gen sirve para producir diferentes ARNm y productos proteínicos.
Con el mismo gen se pueden elaborar
diversos productos proteínicos
dependiendo de cómo se divida el
preARNm para formar el ARNm
maduro que se traducirá en los
ribosomas.
3. Las células pueden controlar la estabilidad y la traducción del ARN mensajero.
Algunos ARN son muy estables y se traducen muchas veces.
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Otros se traducen poco y luego se degradan.
Otros (ARN regulador) pueden obstaculizar la traducción de algunos ARNm
o marcar ciertos ARNm para que sean destruidos [tiene secuencias de
nucleótido complementario y forman una doble hélice corta]
Las proteínas pueden necesitar una modificación para que desempeñen sus
funciones. Ej: enzimas digestivas se forman inactiva y hasta que se encuentran en el
estómago se activan (se extrae parte de la enzima y el sitio activo se descubre).
Una proteína también se puede activar o desactivar agregando o suprimiendo grupos
fosfato.
4. Las células pueden controlar la velocidad a la que se degradan las proteínas. Al
prevenir o promover la degradación de una proteína, una célula puede ajustar
rápidamente la cantidad de la proteína que contiene.
