1. Introducción

Durante la primera mitad del siglo XX se desarrolló la teoría conocida como «un gen-una enzima»:

Un gen posee la información para poder sintetizar una determinada enzima, que controla una determinada reacción bioquímica.

Así, el conjunto de genes posee toda la información para sintetizar todas las enzimas de un organismo, y con ello, son los responsables del metabolismo celular. Por lo tanto, de ellos dependen las características biológicas de ese organismo.

El flujo de información desde el gen situado en el ADN hasta la síntesis de la proteína correspondiente se realiza por medio de los procesos de transcripción y traducción.

2. Transcripción

Es el proceso de síntesis de moléculas de ARN a partir de una determinada secuencia (un gen) de una de las hebras de la molécula de ADN, llamada ADN patrón o molde (la hebra de ADN que no se transcribe se denomina hebra codificante).

La secuencia de bases del gen determina la secuencia de bases del ARN sintetizado. El ARN sintetizado resulta ser una copia complementaria del gen del cual proviene (con las bases A, C, G, U).

La excepción es el Uracilo, que sustituye a la Timina en el ARN, y por lo tanto, U es la base complementaria de la A (Adenina) de la molécula de ADN.

La principal enzima del proceso de transcripción es la ARN polimerasa:

• Incorpora ribonucleótidos en sentido 5′ → 3′
• Lee la secuencia del ADN patrón en sentido 3′ → 5′.
• No necesita cebador.

En procariotas, el ARNm obtenido es habitualmente policistrónico, es decir, contiene información para sintetizar varias cadenas polipeptídicas.

En eucariotas es monocistrónico (cada ARNm contiene información para sintetizar una sola cadena polipeptídica).

3. Transcripción en Procariotas

La transcripción consta de varias fases:

3.1. Iniciación

La ARN polimerasa recorre la doble hebra de ADN, detecta y se une a unas secuencias específicas cortas previas al nucleótido desde el que se iniciará la transcripción: los promotores. Estos se sitúan típicamente a -35 y -10 nucleótidos del sitio de iniciación de la transcripción.

3.2. Elongación

La ARN polimerasa comienza a moverse por la hebra patrón en sentido 3′ → 5′.

«Lee» la secuencia de bases del gen a la vez que sintetiza la molécula de ARN uniendo nucleótidos en sentido 5′ → 3′. A la vez, se va desenrollando la doble hebra de ADN para poder realizar la transcripción.

Sigue la norma de complementariedad de bases con el ADN que tiene que copiar (ADN molde). La cadena de ARN se hace cada vez más larga.

3.3. Terminación

La ARN polimerasa, al detectar determinadas secuencias (señales de terminación), finaliza la transcripción y se separa de la hebra de ADN.

La hebra de ARN recién sintetizada también se separa.

3.4. Maduración

A veces, el ARN formado sufre una serie de cambios antes de ser traducido a proteína. El ARNm no sufre maduración. Para formar los ARNt y ARNr, la molécula de ARN recién sintetizada, denominada entonces transcrito primario, sufre algunos cambios (maduración). El ARNm obtenido es policistrónico: contiene información para sintetizar más de una cadena polipeptídica.

4. Transcripción en Eucariotas

Existen algunas diferencias respecto a las células eucariotas:

Existen 3 tipos de ARN polimerasa:

• ARN polimerasa I: síntesis de ARNr (subunidad mayor del ribosoma)
• ARN polimerasa II: síntesis de ARNm.
• ARN polimerasa III: síntesis de ARNt + ARNr (subunidad menor de los ribosomas).

Los genes suelen estar «situados a trozos», es decir:

La secuencia de nucleótidos del ADN de un gen no suele ser continua, sino que está formada por varias secuencias (exones) separadas por otras secuencias que no se expresan a proteína (intrones). Esto provoca que durante el proceso de maduración haya que eliminar las secuencias de intrones. Las fases de la transcripción son las mismas, con ciertas particularidades:

4.1. Iniciación

Existencia de distintos promotores: por ejemplo, a -25 nucleótidos se sitúa la secuencia TATA box. Unión de proteínas llamadas Factores de Transcripción (TF) a la secuencia del promotor. La ARN polimerasa detecta estos TF y se posiciona en el sitio para iniciar la transcripción.

4.2. Elongación

Igual que en procariotas.

4.3. Terminación

Igual que en procariotas.

Tras la terminación, el ARN obtenido se denomina transcrito primario.

4.4. Maduración

Son modificaciones del transcrito primario hasta dar lugar al ARNm final:

• Incorporación de una molécula de guanina metilada a modo de «capucha» en el extremo 5′ al inicio de la transcripción.
• Incorporación de «cola de poli A» en el extremo 3′: 100-200 nucleótidos de Adenina, después de la transcripción.
• Eliminación de «intrones»:

El ARN transcrito primario contiene:

• Exones: secuencias de nucleótidos que luego se «leerán» en el ribosoma para sintetizar proteínas (se dice que «se expresan a proteína»).
• Intrones: secuencias que no codifican, no se traducen en el ribosoma (se dice que «no se expresan a proteína»).

En el proceso de «maduración» se eliminan los intrones por un proceso conocido como splicing. Enzimas específicos cortan por los extremos de los intrones del transcrito primario. Posteriormente, las ligasas unen los extremos de los exones, formando el ARN final.

5. Traducción. El Código Genético

5.1. Traducción

Proceso mediante el cual, a partir de la secuencia de nucleótidos de un ARNm, el ribosoma sintetiza una determinada proteína (cadena polipeptídica). Es decir, la secuencia de nucleótidos del ARNm se traduce a secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica. Como el proceso ocurre en los ribosomas (situados en el citoplasma), en eucariotas, el ARNm sintetizado debe salir del núcleo (a través de los poros nucleares).

Es necesaria la participación de los ARNt, responsables de trasladar los diferentes aminoácidos hasta el ribosoma, donde serán ensamblados para formar las cadenas polipeptídicas (proteínas).

5.2. El Código Genético

Es el diccionario o la correspondencia que permite la traducción de un «idioma» (secuencia de nucleótidos de ARNm) a otro «idioma» distinto (secuencia de aminoácidos). Al principio se podría pensar que cada nucleótido (A, G, C, U) del ARNm codificaría para un aminoácido, pero se ve que no es suficiente, ya que existen 20 aminoácidos diferentes que forman parte de proteínas, y solamente 4 nucleótidos diferentes. Tampoco sería suficiente si fueran secuencias de 2 nucleótidos consecutivos los que codificaran para cada aminoácido, ya que habría entonces 16 combinaciones diferentes, y siguen siendo insuficientes. La realidad es que son grupos o secuencias de 3 nucleótidos consecutivos del ARNm los que codifican para cada aminoácido. Por lo tanto, existen 64 combinaciones o secuencias de tres nucleótidos consecutivos diferentes para codificar los 20 aminoácidos diferentes: de sobra.

Secuencias mayores de 4 o más nucleótidos para codificar aminoácidos no tendría mucho sentido ya que sería un derroche de energía para la célula. Estas secuencias de tres nucleótidos del ARNm que codifican los distintos aminoácidos se llaman tripletes o codones. Se dice que el código genético es degenerado:

Al existir más codones (64) que aminoácidos para codificar (20), un aminoácido puede estar codificado por más de un triplete (ver el cuadro).

El Código Genético es además, universal (el mismo para la inmensa mayoría de los seres vivos), aunque existen pequeñas variaciones en algunos casos (por ejemplo, en las mitocondrias). Existen unos codones especiales:

• AUG: codifica para el aminoácido metionina (met). Indica el inicio de la traducción.
• UAA, UGA, UAG: No codifican para ningún aminoácido. Indican el final de la traducción.

6. Fases de la Traducción

6.1. Formación de aminoacil-ARNt

Previo al inicio de la traducción, los ARNt deben unir o enlazar aminoácidos para transportarlos hasta los ribosomas. Cada ARNt posee una secuencia especial en el 2° bucle llamada anticodón, formada por tres nucleótidos. Un aminoácido específico se une al extremo 3′ del ARNt (formando la molécula aminoacil-ARNt). El anticodón es una secuencia específica para cada aminoácido. Según cuál sea la secuencia del anticodón, solo se unirá a ese ARNt un determinado aminoácido.

6.2. Formación del complejo de Iniciación

La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm en el extremo 5′ (zona CAP). La subunidad se desliza hasta que encuentra una secuencia o codón AUG que determina el inicio del proceso de traducción.

A este codón se le une un determinado aminoacil-ARNt: aquel que posea un anticodón complementario a AUG, es decir, en este caso será UAC.

Este anticodón pertenece al ARNt que lleva unido específicamente el aminoácido metionina. Posteriormente, el ARNm se leerá en sentido 5′ → 3′.

Finalmente a este complejo se le une la subunidad mayor del ribosoma.

El aminoacil-ARNt queda situado en el centro P (zona «central» del ribosoma).

6.3. Elongación

Al centro A (zona «derecha») llega otro aminoacil-ARNt con anticodón complementario al siguiente triplete o codón del ARNm. Se produce un enlace peptídico entre el primer aminoácido (met) y el aminoácido siguiente (unido al ARNt situado en el sitio A). El 1° aminoácido se suelta de su ARNt.

El ribosoma se desplaza tres nucleótidos hacia 3′. Como consecuencia del desplazamiento, el ARNt (ya sin aminoácido) que estaba en el centro P queda situado en el centro E («izquierda» o de salida), y se desprende.

Ahora queda el siguiente ARNt con dos aminoácidos unidos por enlace peptídico en el centro P. Se repite el proceso.

6.4. Terminación: (UAA, UGA, UAG)

Al llegar un triplete de «stop» al sitio correspondiente al sitio A, resulta que no existe ningún aminoacil-ARNt específico para ese codón. Unas proteínas (Factores de liberación) se unen al sitio A provocando la finalización del proceso de traducción:

• Separación de la cadena polipeptídica del último aminoacil-ARNt.
• Separación del ARNm del ribosoma.
• Separación de las dos subunidades del ribosoma.

Es muy frecuente la aparición de polisomas (polirribosomas): una molécula de ARNm es traducida por varios ribosomas a la vez situados en distintos lugares del ARNm (se forma una estructura con forma de pluma).

7. Regulación de la Expresión Génica

Las células no sintetizan proteínas continuamente, sino en función de sus necesidades. Tampoco sintetizan todas las proteínas.

Hay que recordar que en cada núcleo celular están todos los genes del individuo (toda la información genética). Sin embargo, un determinado tipo de célula (epidérmica, por ejemplo) necesitará sintetizar una proteína (queratina), que otro tipo celular (neurona) nunca lo va a producir porque no lo necesita. Por ello, las células necesitan sistemas para regular o controlar la síntesis de proteínas.

Es habitual que las células mantengan el ADN nuclear más condensado (dificultando la transcripción), o menos condensado (facilitando la transcripción). Así, se facilita la síntesis de determinadas proteínas y se bloquea la síntesis de otras. Las células eucariotas de organismos pluricelulares regulan estos procesos por medio de hormonas:

• Una hormona de naturaleza proteica se une a determinado receptor de membrana de un tipo celular concreto. Esto activa la formación de AMP cíclico (segundo mensajero). Este se dirige al núcleo provocando a su vez la activación de la transcripción de determinado gen.
• En el caso de hormonas lipídicas, estas pueden atravesar la membrana uniéndose a una molécula receptora en el citoplasma. El complejo hormona-receptor llega al núcleo e induce la transcripción de determinada proteína.

Las células procariotas regulan la síntesis de proteínas en función de los nutrientes presentes en el medio.

En todo caso, las células regulan la síntesis de proteínas (y por lo tanto, todo su metabolismo), controlando los procesos de transcripción de ARNm. Existen distintos sistemas de regulación. Por ejemplo, los operones.

7.1. El Operón Lac

Fue el primer sistema de regulación de síntesis de proteínas descubierto (en bacterias E. coli).

Un operón es un grupo de genes situados de forma secuencial, y relacionados funcionalmente.

Entre estos genes se distinguen:

• Genes estructurales: genes que se transcriben y traducen a proteínas.
• Genes reguladores: genes y secuencias de nucleótidos que regulan la transcripción de los anteriores.

E. coli es una bacteria que, en presencia de lactosa, hidroliza este disacárido obteniendo galactosa y glucosa, que luego cataboliza para obtener energía. Los genes estructurales del operón Lac se traducen a enzimas que hidrolizan (rompen) la lactosa. Por lo tanto, en presencia de glucosa, la transcripción y traducción de esos genes estructurales no es necesaria, por lo que se paraliza el proceso, ya que sería un derroche de materia y energía. Los genes reguladores hacen justamente eso, regulan o controlan la transcripción de los genes estructurales en función de que sean necesarios o no en el metabolismo celular. Entre los genes reguladores se encuentran:

• Promotor: secuencia del ADN donde se une la ARN polimerasa, para iniciar la transcripción de los genes estructurales.
• Operador: secuencia del ADN situada entre el promotor y los genes estructurales.
• Un gen regulador: se traduce a una proteína represora que se une al operador, bloqueando así el paso de la ARN polimerasa e impidiendo así la transcripción de los genes estructurales.

En ausencia de lactosa, el gen regulador se expresa a una proteína represora.

Esta se une a la zona del operador, bloquea el paso de la ARN polimerasa e impide la transcripción y traducción de los genes estructurales, por lo que la célula no sintetiza las enzimas que rompen la lactosa (no son necesarios). En presencia de lactosa, este disacárido se une a la proteína represora, y la bloquea. De esta manera, se impide que la proteína represora se una al operador y bloquee a su vez a la ARN polimerasa. Así, la ARN polimerasa tiene «pista libre» para transcribir los genes estructurales, por lo que se sintetizan las enzimas que hidrolizan la lactosa.

7.2. Splicing Alternativo

Un mismo ARNm con intrones y exones puede madurar de maneras diferentes, quedando en el ARNm final secuencias o exones diferentes, dando lugar a la síntesis de proteínas diferentes.

Etiquetas: ADN, ARN, Biología Molecular, Genética, traducción, transcripción