6-LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA

La regulación de la expresión genética es necesaria para que las células no produzcan cantidades excesivas de proteínas. Esta regulación se puede producir en la replicación, transcripción o en la traducción.

En procariotas:

Un operón es un conjunto de genes que codifican proteínas que intervienen el procesos bioquímicos muy relacionados. Estos genes se localizan cerca unos de otros en el cromosoma para que su regulación sea de forma coordinada.

La regulación puede ser inducible, en la que la expresión de los genes está bloqueada pero puede ser activada por un inductor; o represible, en la que los genes se expresan hasta que el represor inhiba la transcripción.


Elementos que componen el modelo del operón:

Los genes estructurales (Gen 1, Gen2...). Codifican la síntesis de las proteínas enzimáticas que, necesariamente, participan en un determinado proceso bioquímico

El gen regulador (R). Codifica la síntesis del represor y es el que controla materialmente la expresión.

El promotor (P). Es la zona donde se une el enzima ARN-polimerasa y decide en inicio de la transcripción.

El operador (O). Secuencia de ADN que bloquea al operador e impide el avance del ARN-polimerasa, con lo que la transcripción se interrumpe y los genes dejan de expresarse.

El inductor. Sustrato cuya presencia induce a la expresión de los genes.



Operón lactosa

Es un ejemplo de regulación de la expresión genética. La regulación se lleva a cabo así:

-Si en el medio no hay lactosa (sin inductor). El operón está regulado por un gen regulador que codifica una  proteína represora con dos lugares de unión. Uno bloquea el operador, y los genes no se transcriben.







-Si en el medio hay lactosa (con inductor). La lactosa actúa como inductor y se une al segundo lugar de unión de la proteína represora, haciendo que operador quede sin bloquear y que los genes se transcriban.








En eucariotas:

El principal punto de regulación es el inicio de la transcripción. En eucariotas, los genes no se agrupan en operones, pero cada gen eucariótico tiene secuencias reguladoras específicas esenciales para la transcripción.

Las diferencias esenciales de la regulación en eucariotas y en procariotas son:

-La activación de la transcripción en eucariotas se produce por por múltiples cambios en la estructura de la cromatina de la región que se va a transcribir. La activación se produce por la unión del ADN a determinados factores de transcripción.

-Aunque existan elementos tanto de regulación positiva como negativa, predomina la regulación positiva.

-En eucariotas, hay una separación física entre la transcripción, que se produce en el núcleo, y la traducción, que se lleva a cabo en el citoplasma.

4-EL CÓDIGO GENÉTICO

El código genético es la relación de correspondencia entre las bases nitrogenadas del ARN mensajero y los aminoácidos que codifica.

En las proteínas, sólo hay 20 aminoácidos, pero las numerosas posibilidades de combinación de estos hacen que haya infinitos genes diferentes. El hecho de que haya 20 aminoácidos que tenga que haber 20 parejas codificadas en na cadena lineal simple de ADN.

La codificación de los veinte aminoácidos viene en secuencias de tres, llamadas tripletes o codones.




CARACTERÍSTICAS:

Universalidad
El código genético es universal, ya que la correspondencia de codones y anticodones es siempre la misma, independientemente del organismo, aunque no es del todo verdad puesto que han encontrado excepciones en las mitocondrias de los seres humanos. Por eso, es mejor decir que el código genético es casi universal.

La degeneración
La degeneración significa que un aminoácido está codificado por más de un codón. Los codones codificantes del mismo aminoácido reciben el nombre de codones sinónimos.

Código no solapado
La lectura del código se hace de tres en tres secuencias, es decir, es una lectura seguida, sin puntuación y no compartes ninguna base nitrogenada.

Otras características del código genético

  -El codón de inicio. El codón AUG (el único que codifica la metionina) es el que actúa como codón de inicio casi siempre. A veces también aparecen como codón de inicio el ACG, CUG y GUG

   -El codón con sentido. Son sólo 61 los codones que dirigen la incorporación de aminoácidos a las proteínas.

   -Los codones de terminación o "stop", no codifican aminoácidos. Son UGA, UAG y UAA.

5-LA TRADUCCIÓN

La traducción es el paso de ARN mensajero a la cadena de aminoácidos

ARNt:

El ARN transferente es la molécula que interfiere en la traducción. Sus caracterísiticas son:

-El brazo que no tiene bucle tiene la secuencia CCA, y es ahí donde se une el aminoácido

-El bucle del brazo opuesto tiene un triplete (anticodón) complementario a un triplete del ARN mensajero (codón)

-Cada molécula del ARNt es específica de cada aa.


Fase previa a la traducción:

Es la fase en que los aminoácidos se fijan al triplete CCA del ARNt (activación de los aa). Para ello, se necesita una molécula de ATP, que al ser hidrolizada liberará energía, y el enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, específico para cada aminoácido.
Esta unión se llama complejo de transferencia.

Fase I: Iniciación. El ARNt iniciador reconoce el triplete AUG (que codifica la metionina) más cercano a la caperuza de metil-GTP ARNm y se une a él, ya que al reconocer estre triplete, la cadena del ARN mensajero es reconocida por el ARNt iniciador. Por tanto, la metionina es siempre el primer aminoácido y se elimina al final del proceso. La unidad pequeña del ribosoma se une al ARNm, concretamente a la secuencia denominada Shine-Dalgard, y también se une con factores de traducción, que hacen que haya una afinidad muy fuerte. Después, se une la unidad grande del ribosoma al ARNm. En el ribosoma, hay dos lugares:
        -Sitio P. Se une el primer ARNt de transferencia junto con el aminoácido (la metionina).
        -Sitio A. El segundo ARNt que llega se coloca aquí (con su correspondiente animoácido). Este nuevo aminoácido se une a la metionina del ARNt que se encuentra en el sitio P. Depués, el ARNt del sitio P se va del ribosoma junto con el ARNm que lleva, y el segundo ARNt se pone en el sitio P, como si saltaran un espacio, y así sucesivamente.

Estos saltos de los ARNt del sitio A al sitio P constituyen la TRANSLOCACIÓN.

Fase II: Elongación. Estos saltos se van sucediendo una y otra vez, y, por tanto, cada vez va habiendo más aminoácidos. Así, el ARNm pasa completo por el ribosoma y estos aminoácidos (que están unidos al ARNt) se unen entre sí mediante enlaces peptídicos gracias a la enzima peptidil-transferasa, formando una cadena peptídica.

Fase III: Finalización. Ocurre cuando se lleva a un codón para el cual no existe ningún aminoácido. Cuando se llega ahí, la cadena peptídica se separa del ribosoma y éste se separa en dos.

3-La transcripción

 Para la transcripción, se necesitan tres requsitos:

 -Una cadena de ADN que actúe como molde. El  ARN sólo utiliza como molde una de las dos  cadenas que tiene el ADN.

 -Los enzimas. En procariotas hay un ARN  polimerasa y en eucariotas algunos más.

-Los ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.  Se sustituye timina por uracilo.

La transcripción es diferente en eucariotas y procariotas, por lo que vamos a explicar las dos:


En procariotas:

Hay tres fases:

1. Iniciación. El ARN polimerasa reconoce la secuencia rica en timinas y adeninas. Para unirse a ella, se hace servir del cofactor sigma, que se une a dicha secuencia, y el ADN se abre en forma de burbuja para que pueda llevarse a cabo la transcripción.

2. Elongación. El ARN polimerasa lee solamente UNA de las cadenas de ADN, la que va en sentido 3' a 5', y polimeriza en sentido 5' al 3' (es decir, la adición de ribonucleótidos)

3. Finalización. El ARN para de sintetizar ARN cuando llega a una secuencia rica en timinas. Es una secuencia de finalización porque cuando la ves desde el espacio hace una forma de bucle que hace que el ARN polimerasa se desenganche (secuencia consenso). A veces, puede unirse un cofactor P, pero es prescindible.


En eucariotas:

Fases:

1. Iniciación. También existe una secuencia de inicio y el ARN polimerasa se une a ella sin que tenga que intervenir el cofactor sigma. La doble hélice se abre en forma de burbuja.

2. Elongación. El ARN polimerasa va en sentido 3' al 5' y polimeriza en sentido 5' al 3'. A diferencia de las procariotas, en la parte 5' se le añade una 7-metil-guanosina, que actuaría como una "capucha". Esta sirve para que el ARN salga del núcleo para ir al citosol y, además, permite que la secuencia sea traducida. Además, también protege al ARN.

3. Finalización. Finaliza cuando se encuentra con una secuencia rica en timinas y adeninas. Cuando el ARN polimerasa llega a dicha secuencia, añade la "cola de Poli A" (una enzima), que añade un gran número de adeninas para evitar que el ARN sea degradado.

4. Fase de maduración del ARN mensajero. Una vez que se ha sintetizado el ARN, es necesario quitar los intrones (partes que no codifican)  y dejar los exones (partes que codifican) para formar así el ARN mensajero.

Algunas diferencias de la transcripción en eucariotas y en procariotas son:

-En eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo, y en procariotas, al carecer, de él, ocurre en el citoplama.
-En eucariotas, intervienes tres enzimas ARN-polimerasa: I(para co, II y III. En procariotas sólo uno.
-En eucariotas sólo hay un centro promotor (TATA), y en procariotas hay dos.

2-La replicación del ADN

Para la replicación, hay que tener claros varios aspectos de la misma:

Primero, se trata de una doble hélice semiconservativa, es decir, que de cada cadena de la doble hélice le sirve de molde a una  hebra hija, por lo que cada cadena nueva tiene la mitad de información genética.

Segundo, la replicación es bidireccional. Se forma la burbuja de replicación, en la que la replicación se ejecuta en los dos sentidos, pero no de la misma manera.

Tercero, la replicación es semidiscontinua, es decir, una de las cadenas se copia todo seguido, del tirón (cadena continua) y viene de la hebra molde;  y la otra va  haciendo paradas (cadena retardada) y viene de la hebra codificante.


Las etapas de la replicación (en procariotas) son:

1ª etapa. Iniciación. En esta etapa se separan las cadenas formando la burbuja de replicación, para que quepan los enzimas que intervienen. La elicasa rompe las cadenas; las proteínas SSB evitan que las cadenas vuelvan a unirse; las girasas, que evitan un superenrollamiento al cortar, ya que el ADN está muy enrollado.

2ª etapa. Elongación.Cuando las hebras ya se han separado, el ADN-polimerasa empieza a unir nucleótidos uno a uno a partir de la burbuja de replicación. Al final, en los extremos de la burbuja, las cadenas forman una estructura en forma de Y.
Problema: el ADN-polimerasa solo va en una dirección: del extremo 5' al 3'. Como las hebras de ADN son antiparalelas, en una de las hebras, la que va del 3' al 5', no hay problema, pero en la que va del 5' al 3', no puede hacer lo mismo que antes, ya que si lo hiciera no tendría dos hebras antiparalelas, así que se va parando en pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki), y es ayudada por la ARN-polimerasa (hebra retardada).El enzima corta los fragmentos de Okazaki de ARN, los rellena con ADN y el enzima ligasa los une entre sí.

3ª etapa. Finalización. Todas las proteínas que intervienen en la replicación se van para permitir que la copia del ADN se condense.


La replicación en eucariotas es bastante similar a la de los procariotas, pero presenta algunas diferencias:
 -En las eucariota, hay 5 tipos de ADN-polimerasa, designados con letras griegas.
 -Las histonas que están asociadas al ADN en los eucariotas (los procariotas no tienen este tipo de proteínas) también se replica durante este proceso.
 -En las eucariotas, cuando se va el cebador queda una parte sin replicar (telómero) por lo que hay un trozo de gen que no se ha replicado. Esto hace que se vayan quedando sin replicar fragmentos de ADN, lo que a la larga causa la muerte celular.

1-EL ADN CONTIENE EL MENSAJE GENÉTICO

Durante la década de 1940, los genetistas pensaban que el material genético era una proteína. Sin embargo, volvieron a hacer el experimento de Griffith de 1928 y concluyeron que el ADN era el material genético.

En este experimento, Griffith tomó dos cultivos: uno que tenía una cubierta lisa que producía la neumonía y otro con una cubierta rugosa que no la producía. Así, comprobó que si inyectaba células del tipo S muertas y células del tipo R vivas no les causaban neumonía, pero que si inyectaba una mezcla de amban células entonces sí les causaba neumonía a los ratones a los que se inyectaba. Por esto, Griffith pudo deducir que había algo en las células del tipo S que transformaban las bacterias del tipo R en tipo S.
Después, Avery volvió a hacer el experimento pero mezclando bacterias R con distintas sustancias, como proteínas, polisacáridos, lípidos... y vieron que solo se transformaban cuando se incorporaba ADN, por lo que éste tendría que ser el portador de la información genética.



La estructura de los genes

Un gen es la unidad elemental de la herencia, la región física y funcional del cromosoma portadora de la información genética de una generación  a la siguiente y responsable de conferir rasgos al organismo, y como la entidad capaz de sufrir recombinación. Tiene dos tipos de secuencias: una estructural o otra reguladora de la expresión. Dentro de la estructural, se hallan regiones codificantes (exones) y no codificantes (intrones)
Su función es conservar, almacenar, transmitir, expresar y regular la información genética.

    La estructura genética de los procariotas

Suelen tener un solo cromosoma circular y la información codificadora suele ser continua (la información genética  de un gen se traduce en forma de proteína)

    La estructura genética de las eucariotas

En los organismos eucariotas la mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo y muchos de los genes contienen información codificadora (exones) interrumpida periódicamente por secuencias no codificadas (intrones)


El flujo de la información genética

Para que pase la información genética a la descendencia, o bien a las células del organismo, el ADN pasa por 3 fases: replicación, transcripción y traducción, que veremos con más detenimiento.

No obstante, también puede pasar al revés, que el ARN pase a ADN. Esto es lo que pasa en algunos virus, como el Sida.