EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

1. EXPRESION DE LA INFORMACION GENETICA
Hoy se sabe que el ADN es la molécula que lleva la información genética que determina la síntesis de las proteínas, entre ellas las enzimas, responsables de las características estructurales y funcionales de un organismo.
En 1948 Edward Tatum y George Beadle después de diversos experimentos realizados con el moho Neurospora crassa, fueron los primeros en establecer la existencia de una relación directa entre el ADN y la secuencia de aminoácidos de un enzima y enunciaron la hipótesis “un gen un enzima”. Según esta hipótesis cada gen (fragmento de ADN) contiene la información para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima.
Posteriormente esta hipótesis fue ampliada enunciándose “un gen una proteína”, ya que el gen puede codificar una proteína cualquiera no necesariamente enzimática. Hoy se ha corregido y debido a que muchas proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica, resulta más apropiado “un gen una cadena polipeptídica” es decir cada gen codifica, lleva información para la síntesis de una cadena polipeptídica. Quedaba claro que la expresión del mensaje consistía en la síntesis de proteínas específicas, pero no se conocía el mecanismo mediante el cual se realizaba.
2. FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA.
En 1970 Francis Crick (uno de los descubridores de la doble hélice del ADN) enunció el dogma central de la Biología molecular que nos indica como fluye la información genética, este dogma dice lo siguiente: El ADN es la molécula que lleva la información genética, puede replicarse y hacer copias de sí mismo permitiendo que esta información pase completa de unas células a otras cuando se divide, igualmente puede copiar una parte de su información sintetizando una molécula de ARN_m, la cual constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína.
transcripción traducción
ADN ¾¾¾¾¾® ARN_m ¾¾¾¾¾¾® proteína

Es decir la información contenida en el ADN se transforma en una determinada proteína. Este proceso no se realiza de forma directa sino que en él se diferencian dos etapas:
-Transcripción: En esta etapa se copia la información de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, al ARN_m. Por lo que se sintetiza una molécula de ARN_m complementaria con el fragmento de ADN correspondiente al gen.
-Traducción: En ella la secuencia de nucleótidos del ARN_m se traduce en una determinada secuencia de aminoácidos. En esta etapa interviene además el ARN_t.
En los organismos procariotas, la transcripción y la traducción se producen a la vez y en el mismo lugar, pues el ADN forma un cromosoma desnudo disperso por el citoplasma y, según se transcriben los genes que contienen información para la síntesis de ARN_m, los ribosomas los van traduciendo.
En los organismos eucariotas, la transcripción y la traducción están separadas en el tiempo y en el espacio: el ADN se transcribe en el núcleo, y los ARN_m formados atraviesan la membrana nuclear y se dirigen al citoplasma donde los ribosomas los traducen.
No todos los genes llevan información para la síntesis de proteínas; algunos solo se transcriben y no se traducen, ya que solo son portadores de información para la síntesis de determinados tipos de ARN, como ARN_t y ARN_r, que colaboran, junto con el ARN_m en la síntesis de proteínas. Los genes que poseen información directa para la síntesis de proteínas son los que al transcribirse dan moléculas de ARN_m.
En los procariotas los genes son unidades continuas, mientras que en los eucariotas están fragmentados, es decir están constituidos por fragmentos carentes de información llamados intrones intercalados con otros que si tienen información llamados exones.
Además tanto en procariotas como en eucariotas existen secuencias que no se transcriben, pero desempeñan un papel importante en la regulación de la expresión génica ya que constituyen las señales que indican el inicio o el final de un gen, que se va a transcribir.
En la actualidad este dogma ha tenido que ser modificado debido al comportamiento de algunos virus que tienen ARN como material genético.
Los retrovirus (VIH) que llevan la información en el ARN, poseen una enzima llamada retrotranscriptasa o transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de ARN vírico, a este proceso se le llama retrotranscripción.
Igualmente algunos virus que llevan ARN como material genético, poseen un enzima la ARN replicasa capaz de replicar el ARN. Por todo ello el dogma central de la biología quedaría de la siguiente forma.

Transcripción Traducción
ADN ¬¾¾¾¾¾¾¾¾® ARN ¾¾¾¾¾® Proteína
Retrotranscripción
3. TRANSCRIPCION
Es el proceso mediante el cual se copia la información (secuencia de nucleótidos) de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, en el ARN. Por consiguiente mediante la transcripción se va a sintetizar una molécula de ARN.
En este proceso intervienen unas enzimas llamadas ARN-polimerasas o ARN-pol que tienen las siguientes características:
-Utilizan como molde una de las cadenas del fragmento de ADN y la van leyendo en sentido 3’®5’ y van uniendo ribonucleótidos en sentido 5'®3', teniendo en cuenta su complementariedad con los nucleótidos de la cadena del segmento de ADN que se utiliza como molde (hay que tener presente que en el ARN la base complementaria de la adenina es el uracilo).
-En el proceso para formar el ARN se utilizan ribonucleótidos trifosfatos (ATP, GTP, CTP y UTP). .La energía necesaria para crear el enlace que une a los ribonucleótidos se obtiene de la hidrólisis de los mismos. Cada ribonucleótido trifosfato se hidroliza dando un grupo P-P, energía y un ribonucleótido monofosfato que se unirá mediante un enlace éster a la cadena de ARN en formación.
La cadena de ARN se sintetiza en sentido 5'®3' y la secuencia de este ARN transcrito será complementaria a una de las cadenas del gen, a la que se tomo como molde, e idéntica a la otra que no se transcribió.
En los procariotas sólo existe un tipo de ARN-polimerasa que sintetiza los tres tipos de ARN. En los eucariotas existen 3 tipos de ARN-polimerasa: ARN-pol I, sintetiza los ARN_r; ARN-pol II, sintetiza los ARN_m y ARN-pol III, sintetiza los ARN_t.
En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados, los ARN transcritos tienen que pasar por un proceso de maduración para convertirse en ARN funcionales.
La transcripción en los eucariotas ocurre en el núcleo y es similar a la de los seres procariotas, en ella se diferencian cuatro etapas: iniciación, elongación, terminación y maduración.
·Iniciación
El proceso comienza cuando la ARN-pol reconoce en el ADN que se va a transcribir una región que indica el inicio del proceso. Esta región se denomina región promotora, esta formada por una determinada secuencia de nucleótidos, en la que abundan la A y la T En la síntesis del ARN_m y en eucariotas se han identificado dos regiones promotoras (TATA y CAAT). A esta región se une la ARN-pol. y desenrolla una vuelta de hélice al ADN con lo que la hebra del ADN que actuará como molde queda al descubierto y podrá ser leida por el enzima.
·Elongación
En esta etapa se van añadiendo los ribonucleótidos y la cadena de ARN se va formando. El proceso ocurre de la siguiente manera: la ARN-pol, se desplaza por la hebra molde y va leyendo la secuencia de nucleótidos en sentido 3'®5' y va añadiendo ribonucleótidos complementarios con ellos a la cadena de ARN que se esta formando, los cuales se unirán en sentido 5'®3' mediante enlaces éster. A medida que la enzima se desplaza, el ADN recupera su forma inicial de doble hélice.
En los eucariotas en la formación del ARN_m cuando se han transcrito los 30 primeros nucleótidos del gen, al ARN_m en formación se le añade en el extremo 5' un nucleótido especial metil-guanosina-trifosfato que forma una especie de caperuza que servirá para que sea reconocido por los ribosomas como el extremo por donde se debe iniciar la traducción.
·Terminación
La ARN-pol continúa añadiendo ribonucleótidos a la cadena de ARN en formación hasta que reconoce en la cadena de ADN una señal de terminación que indica el final de la transcripción.
En procariotas esta señal es una secuencia palindrómica (tiene la misma lectura de izquierda a derecha que al revés, y es rica en G y C)
En eucariotas la secuencia terminadora es TTATTT. A continuación en la formación del ARN_m actúa otra enzima llamada poli-A polimerasa que añade al extremo 3' del ARN_m recién formado una cola poli-A, formada por fragmento de unos 200 nucleótidos de adenina que colaboran en su transporte a través de la membrana nuclear.
·Maduración
Son las transformaciones que sufren los ARN transcritos para hacerse funcionales.
En los procariotas, las moléculas de ARN_m transcritas no necesitan ninguna transformación previa a la traducción. Sin embargo los ARN_r y los ARN_t precisan de un proceso de maduración para convertirse en ARN_r y en ARN_t funcionales, en este proceso se cortan en fragmentos más pequeños.
En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados (contienen exones e intrones), los ARN_m transcritos tienen intercalados intrones (fragmentos sin información) y exones (fragmentos con información), por ello necesitan pasar por un proceso de maduración en el cual se eliminan los intrones y los exones se unen entre sí formándose ARN_m funcional, a este proceso se le denomina de corte y empalme y en él intervienen unas enzimas llamadas ribonucleoproteinas pequeñas nucleolares o espliceosomas. Los ARN_r y los ARN_t también sufren un proceso de maduración. En él los ARN_t se modifican algunas de sus bases introduciendo diversos radicales y se añade el triplete CCA al extremo 3’.
4. CODIGO GENETICO
La información que lleva el ADN esta determinada por la secuencia de nucleótidos. Watsón y Crick señalaron que esta secuencia de nucleótidos debía determinar la secuencia de aminoácidos de la proteína. La información del ADN se transcribe (copia) al ARN_m y este es el que determina la secuencia de aminoácidos de la proteína.
Por lo tanto debe de existir una relación entre los nucleótidos (bases) del ARN_m y los aminoácidos de la proteína, esa relación constituye el código genético. El código genético es por tanto la clave que permite transformar la información genética que está codificada en un lenguaje de 4 letras (A,G,C,U) a un lenguaje de 20 letras distintas los aminoácidos.
El físico Gamow formulo la hipótesis de que el código genético esta formado por tripletes de nucleótidos a los que se denomino codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido. El razonamiento que realizo fue el siguiente:
·Si los codones estuviesen formados por una sola base, solo habría 4 codones distintos, como hay 20 aminoácidos distintos, un mismo codón tendría que determinar varios aminoácidos, lo cual haría que una misma información se tradujese de forma diferente.
·Si los codones estuviesen formados por dos bases, el nº de codones diferentes serian VR²₄ = 4² = 16 con lo cual pasaría lo mismo.
·Si los codones están formados por 3 bases el nº de ellos seria 4³ = 64 suficientes para que haya codones diferentes para codificar todos los aminoácidos.
Posteriormente se descifro el código, es decir se descubrió que aminoácido codifica cada codón del ARN_m, en ello desempeñaron un papel importante Severo Ochoa y Nieremberg y otros.
El código genético podemos definirlo como el conjunto de tripletes de nucleótidos del ARN_m, denominados codones que codifican todos los aminoácidos. Presenta las siguientes características:
·El código es universal, es decir es igual en todos los seres vivos. Por lo tanto un determinado codón codifica el mismo aminoácido en todos los organismos. Esto es una prueba del origen común de todos los seres vivos. Hoy día se han detectado algunas excepciones en protozoos.
·El código esta degenerado, es decir hay más codones que aminoácidos lo que significa que un mismo aminoácido esta determinado por más de un codón. Los codones distintos que codifican un mismo aminoácido se llaman sinónimos, solo suelen variar en el último nucleótido. Además hay 3 codones que no codifican aminoácidos y se llaman codones sin sentido o mudos determinan el final de la síntesis y hay un codon (AUG) que codifica la metionina y determinan el inicio.
El que haya codones sinónimos puede resultar ventajoso ya que si se produce algún cambio en algún nucleótido (mutación) puede no tener consecuencias
·No presenta solapamiento. Los codones se disponen linealmente unos a continuación de otros sin que entre ellos haya espacios ni se solapen, es decir compartan ningún nucleótido. Se leen en un único sentido 5’®3’.
5. TRADUCCION
Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARN_m, es decir la secuencia de codones del ARN_m se traduce en una determinada secuencia de aminoácidos, es decir en una determinada proteína. En este proceso interviene el ARN_t que se encarga de transportar los aminoácidos, que están libres en el citoplasma, hasta los ribosomas y allí son dispuestos en el orden que determina los codones del ARN_m.
Los ARN_t en el brazo del anticodón tienen un triplete de bases denominadas anticodón que es complementario con algún codón del ARN_m, este triplete anticodón es el que va a determinar que aminoácido se une a cada ARN_t. Estos aminoácidos se unen al ARN_t por el extremo 3' que se localiza en el brazo aceptor.
La traducción ocurre en los ribosomas y es similar en los procariotas y en los eucariotas, en el se diferencian varias etapas:
Activación de los aminoácidos, iniciación de la síntesis, elongación de la cadena y terminación de la síntesis.
·Activación de los aminoácidos
Esta es una etapa previa a la traducción que ocurre en el citoplasma. En este proceso los aminoácidos que van a formar las proteínas se unen con los correspondientes ARN_t por su brazo aceptor, formándose los complejos aminoacil-ARN_t. Esta etapa requiere energía que se obtienen de la hidrólisis del ATP y esta catalizada por una enzima específico para cada aminoácido llamada aminoacil-ARN_t-sintetasa
·Inicio de la síntesis.
Para que comience la síntesis de proteínas hacen falta dos señales de iniciación: la caperuza de metil guanosina del ARN_m que indica al ribosoma porque extremo se empieza a leer el ARN_m y el triplete iniciador AUG, que codifica el primer aminoácido. Por lo tanto la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza.
-En primer lugar el ARN_m por el extremo 5’ se une a la subunidad menor del ribosoma, la síntesis se inicia cuando aparece el codón iniciador (AUG), ya que entonces el primer aminoacil-ARN_t cuyo anticodón sea complementario con este codón iniciador se unirá a él por puentes de hidrógeno, formándose el complejo de iniciación. Siempre el primer aminoacil-ARN_t es el que lleva el aminoácido metionina, por ello todas las proteínas comienzan por este aminoácido, aunque en muchos casos este aminoácido posteriormente se elimina.
-Este proceso esta catalizado por acción de unos factores proteicos llamados factores de iniciación (FI), en el se consume energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP. Al final de esta etapa al complejo de iniciación se le une la subunidad mayor del ribosoma formándose el ribosoma completo y funcional.
En el ribosoma existen dos sitios de fijación en los que se unen los aminoacil-ARN_t:
·El sitio P o peptidil es lugar de unión del primer aminoacil-ARN_t (ARN_t-metionina). En este lugar es donde se localiza el ARN_t que lleva unida la cadena peptídica en formación
·El sitio A o aminoacil que es donde se unirán los nuevos aminoacil-ARN_t.
·Fase de elongación de la cadena peptídica
Esta fase consiste en el alargamiento de la cadena peptídica por la unión de sucesivos aminoácidos. Se puede considerar como un proceso cíclico que se repite hasta que termina la traducción. En cada uno de estos ciclos de elongación se diferencian tres fases sucesivas:
-Primera fase: El sitio P esta ocupado inicialmente por el ARN_t^Met, y al sitio A, que esta vació llega el siguiente aminoacil-ARN_t cuyo anticodón es complementario al siguiente codón del ARN_m, este traerá su correspondiente aminoácido. En esta etapa se necesita energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP e interviene un factor de elongación (FE-1).
-Segunda fase: Ahora se rompe el enlace entre el aminoácido y el ARN_t que esta situado en el sitio P, y entre este aminoácido y el aminoácido que esta unido al ARN_t que se encuentra en el sitio A se forma un enlace peptídico. Esta reacción es catalizada por la enzima peptidil transferasa. El resultado es la formación de un dipéptido unido a un ARN_t que se aloja en el sitio A, mientras que en el sitio P queda un ARN_t sin aminoácido.
-Tercera fase: Gracias a la intervención de un segundo factor de elongación (FE-2) y a la energía del GTP, el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos a lo largo del ARN_m en sentido 5'-3'. Este desplazamiento provoca la salida del ARN_t libre situado en el sitio P y la translocación del complejo peptidil-ARN_t-ARN_m del sitio A al sitio P, con lo cual el sitio A queda vació y dispuesto a recibir a otro amioacil-ARN_t cuyo anticodón sea complementario del siguiente codón. El proceso se vuelve a repetir.
·Terminación:
La síntesis termina cuando después de la última traslocación aparece en el sitio A uno de los codones de terminación (UAA, UAG o UGA) ya que no hay ningún ARN_t cuyo anticodón sea complementario con estos codones.
Al codón de terminación se le une un factor de terminación (RF) que hace que la peptidil transferasa por hidrólisis separe la cadena peptídica recién formada del ARN_t, provoca la salida del ARN_t libre, del ARN_m y la separación de las dos subunidades del ribosoma. En esta etapa se gasta energía que procede del GTP.
Tanto en eucariotas como en procariotas el ARN_m puede ser leído por varios ribosomas a la vez formándose un polisoma, como consecuencia se sintetizan varias moléculas de la misma proteína. La proteína a medida que van saliendo del ribosoma va adquiriendo su estructura secundaria y terciaria.
El ARN_m una vez leído por los ribosomas se destruye por lo que dura muy poco tiempo.
6. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La síntesis proteica no tiene lugar de forma continua, sino que las células solo sintetizan las proteínas que necesitan en cada momento, por ello debe de existir un control en la expresión génica. La regulación de la expresión génica se realiza principalmente en el proceso de transcripción.
·Regulación en procariotas.
La regulación de la expresión génica en los procariotas sigue el modelo del operón, que fue descrito por Jacob y Monod a principios de los 60.
Un operón consta de los siguientes elementos:
-Promotor. Es la secuencia de nucleótidos del ADN a la que se une la ARN-polimerasa para iniciar la transcripción del gen o de los genes.
-Genes estructurales. Son los que codifican la síntesis de las proteínas (enzimas) que intervienen en un mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción, de manera que el ARN_m resultante lleva información para varias proteínas y se denomina ARN_mpolicistrónico.
-Gen operador. Es la secuencia de nucleótidos del ADN a la que se puede unir una proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales. Se sitúa entre el promotor y los genes estructurales.
-Gen regulador. Se puede localizar en cualquier lugar del cromosoma. Codifica la proteína reguladora que actúa de represor, cuando esta se une al operador impide que la ARN-polimerasa se pueda unir al ADN y con ello imposibilita la transcripción, cuando se separa la transcripción es posible.
·Regulación en eucariotas.
La regulación en los organismos eucariotas, especialmente en los pluricelulares es más compleja y peor conocida.
La regulación se realiza al inicio de la transcripción. Los mecanismos utilizados actúan sobre la actividad de la ARN-polimerasa, cuya capacidad de iniciar la transcripción depende de:
-La separación de las histonas asociadas al ADN en los nucleosomas para facilitar el acceso de la ARN-polimerasa.
-La existencia de factores activadores que responden a diversas señales intra y extracelulares. Entre las últimas cabe citar las hormonas. Estas provocan respuestas concretas en las células diana. El mecanismo de acción depende del tipo de hormonas.
Las hormonas esteroideas, por su naturaleza lipídica penetran dentro de la célula y tras su unión con ciertas proteínas citoplasmáticas receptoras, pasan al núcleo y allí se fijan a determinadas secuencias del ADN induciendo la transcripción de determinados genes.
Las hormonas peptídicas, no atraviesan la membrana, sino que se unen a receptores específicos presentes en ella, lo cual provoca la activación de la enzima adenilato ciclasa que cataliza la síntesis de AMP_c a partir de ATP. Este AMP_c actúa como un mensajero intracelular y activa proteínas reguladoras de la transcripción.