Los genes y su función

1. La replicación semiconservativa del DNA

Un gen es un fragmento de ADN que contiene información necesaria para el funcionamiento de algún aspecyo del organismo. El mensaje genético se encuentra en el ADN y su única variable es la secuencia de bases nitrogenadas de los nucleótidos.

La transmisión del mensaje genético se consigue con la replicación. Watson y Crick afirmarion que la replicación del ADN es semiconservativa, es decir, cada molécula hija está formada por una cadena de molécula madre y otra de molécula hija (de nueva formación). Esto se confirmó gracias a un experimento llevado a cabo por Meselson y Stahl: Cultivaron determinadas bacterias en un medio con un isótopo del N, el más pesado (N^15). Posteriormente pasaron estas bacterias a un medio con N normal y se observó que, tras dividirse la bacteria, el ADn de las células hijas tenía una densidad intermedia entre  N^14 y N^15. Tras otra división celular celular, se observó que aparecían dos bandas: una semipesada y otra ligera.

La conslusión de todo ésto es que cada vez que se producía una nueva división celular, la mitad de contenido genético en cada molécula de DNA procedía de la anterior (hebra madre).

2. El mecanismo de replicación

Modo de acción de las DNA polimerasas

Las DNa polmimerasa son las enzimas que catalizan la formación de los enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos. Añaden los nucleótidos complementarios a la hebra molde en dirección 3', utilizando para ello la energía de los grupos fosfato de los nucleótidos.

Hay tres tipos de DNA pelimerasas: Pol I, Pol II y Pol III. Son enzimas procesivas, es decir, avanzan sobre la hebra molde, sin soltarse de ella, mientras adicionan nucleótidos al extremo 3' de la otra hebra. A su vez, requieren la existencia de un fragmento de cadena preexistente al que puedan adicionar nucleótidos (cebador)(RNA cebador).

La Pol I tiene acción exonucleasa, es decir, rompe enlaces fosfodiéster. Además de las polimerasas, en la replicación intervienen gran cantidad de enzimas:

• Girasas. Desenrrollan el DNA.
• Helicasas. Separan las dos hebras de DNA.
• Proteínas SSB. Estabilizan el DNA monocatenario durante la replicación.
• Primasa. Sintetiza RNA cebador.
• Ligasa. Une fragmentos de Okazaki formando enlaces fosfodiéster.

Mecanismo de replicación en procariotas

La replicación en bacterias es bidireccional, es decir, comienza en un punto del DNA, el origen de replicación. Aquí se separan las dos cadenas y la replicación va en los dos sentidos. Para ello se necesitan muchas enzimas.

Primero las girasas desenrrollan el DNA y las helicasas separan las dos hebras (separando bases nitrogenadas). Ahora las proteínas SSB estabilizan el DNA monocatenario.

Otro aspecto es que para que la Pol III añada nucleótidos al extremo 3' es necesaria la existencia de una cadena de RNA que sirva de cebador (Es sintetizado por la primasa)

El siguiente aspecto es que la replicación avanza en los dos sentidos pero las polimerasas adicionan nucleótidos sólo por el extremo 3'. La solución es la diferenciacion de dos hebras: una hebra conductora que se replica continuamente y otra retardada que se gforma a partir de fragmentos de Okazaki. Posteriormente, Pol I hidroliza el RNA cebador y, con su actividad polimerasa, añade al extremo 3' desoxirribonucleótidos. Finalmente la ligasa forma un enlace fosfodiéster que une los fragmentos de la hebra retardada. Las hebras se forman a partir de una horquilla de replicación. El avance de estas horquillas produce la replicación.

En resumen:

La replicación en eucariotas

Sigue un mecanismo similar al de procariotas, pero con las siguientes diferencias:

• EN DNA eucariótico se encuentra estructurado en cromatinam cuya unidad estructural son los nucleosomas, lo que supone un obstáculo para el avance de las horquillas. También se han de desmontar los octómeros de histonas. 
• Hay que duplicar el número de moléculas de histona para que se formen nucleosoma en el DNa recién sintetizado.
• Cuentan los organismos ecutarióticos con numerosos puntos iniciales de replicación a lo largo de la molécula de DNA. 
• El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor que en procariotas.

Reparación del DNA

Si se produce un error al introducir bases nitrogenadas, una endonucleasa específica reconoce el error y escinde (rompe) el enlace fosfodiéster. A continuación la Pol I elimina el nucleótido  incorrecto y añade el correcto. Posteriormente, la DNA ligasa une los fragmentos de DNA.

3. La expresión del mensaje genético (flujo de la información)

Un gen es un fragmento de DNA que determina la síntesis de una molécula de RNA o de una proteína.

Los genes estructurales producen proteínas cuya acción se manifiesta en la producción de caracteres del organismo. Los genes reguladores pueden ser de dos tipos: Los que producen RNA que no se traduce en proteínas y los que producen proteínas reguladoras que se unen a segmentos de DNA.

La expresión del mensaje genético en moléculas de RNA se denomina transcriptación, siendo el cambio de timina a uracilo.

La traducción (expresion de lenguaje genético en forma de proteínas) requiere la transcripción previa del ADN.

Los retrovirus presentan el mensaje genético en moléculas de RNA -> DNA mediante una enzima: la transcriptasa inversa. 

4. El mecanismo de la transcripción

En procariotas

La enzima responsable de la transcripción es el RNA polimerasa, la cual es una encima procesiva que se una a la hebra molde del DNA, en una región situada delante del gen denominada promotor. Para esta unión es impresicnible la subunidad σ que forma parte de la holoenzima RNA polimerasa.

Una vez que comienza la transcripción la subunidad σ, la RNA polimerasa va recorriendo la hebra molde en el sentido 3' -> 5' y a su vez va formando la cadena de RNA en el sentido 5'->3' mediante la adición de rubonucleótidos. Al final del gen se encuentra el terminador que hace que se separe la RNA polimerasa.

En eucariotas

Sigue un mecanismo similar al que se da en procariotas pero con diferencias: 

• Hay tres tipos de RNA polimerasa: 
• RNA polimerasa I. Transcribe los genes de los rRNA
• RNA polimerasa II. Sintetiza mRNA
• RNA polimerasa III. Trascribe los genes de tRNA
• Los tres tipos de RNA actúa procesivamente pero los promotores son distintos en cada caso.
• Mientras que en procariotas es muy frecuente el mRNA policistrónico (lleva la información para la síntesis de varias proteínas) en eucariotas solo lleva información para una.
• El mRNA transcrito en células eucariotas debe procesarse hasta llegar a mRNA maduro. Los principales cambios que ocurren en la maduración son:
• mRNA suelen poseer intrones, secuencias en el mRNA que no contienen información genética para la síntesis e proteínas. Antes de la traducción se eliminan, combinándose con unas proteínas que hacen que el intrón adopte una forma de bucle para que se pueda escindir (cortar) enzimáticamente. Posteriormente se suelda de nuevo.
• Adición de una proteína (caperuza) en el extremo 5' y una cola de ácido poliadenílico en el 3', que protege al mRNA de la degradación
• Durante la transcripción hay que desmontar los nucleosomas ya que suponen un obstáculo para las RNA polimerasas. 

Diferencias entre transcripción y replicación

Fundamentalmente tiene 3 diferencias:

• La transcripción es selectiva, es decir, sólo se trancriben algunas regiones del DNA (los genes)
• Cuando se transcribe un gen se copia sólo una hebra del DNA, la hebra molde (la otra es la codificada)
• La transcripción es reiterativa, es decir, un gen puede transcribirse muchas veces, mientras que la replicación sólo ocurre antes de la división celular.

Splicing y splicing alternativo

Splicing es el mecanismo por el cual los intrones son eliminados de una molécula de mRNA. Para ello se utilizan moléculas de snRNP, que son complejos formados principalmente por RNA que es la familia de ribozimas (un tipo de RNA que desempeña funciones catalíticas).

Los exones son segmentos de DNA que se transcriben en RNA y se traducen a polipéptido. En determinadas condiciones ambientales un exón puede pasar a funcionar como un intrón y viceversa. Este fenómeno se conoce como splicing alternativo.

5. El mecanismo de la traducción

La traducción es el proceso anabólico y, por tanto, que requiere gasto energético, que consiste en la síntesis de proteínas de acuerdo con la información obtenida del mRNA

El código genético

Es la relación entre la secuencia de bases del mRNA y la secuencia de aminoácidos en la proteína.

La unidad de codificacion de aminoácidos (codón) esta compuesta por tres nucleótidos. Cada codón codifica un único aminoácido, pero un aminoácido puede ser codificado por vario codones. Por ello, se dice que el código genético es degenerado. Además es universal ya que es común para todos los organismos. Existe un codón, AUG, que además de codificar la metionina significa el comienzo de la traducción. Así mismo, algunos codones indican el final de la traducción.

Formación del aminoacil-tRNA

La unión entre aminoácidos y el correspondiente tRNA está catalizado por las enzimas aminoacil-tRNA sintasas. Este proceso consta de dos fases:

1. Activación del aminoácido. aa+ATP -> aa-AMP + 2P
2. Transferencia del aminoácido activado. aa-AMP + tRNA -> aa-tRNA + AMP

Para cada aminoácido hay un tipo de tRNA.

El ensamblaje de los aminoácidos en la biosíntesis de proteínas

Fase de iniciación

El mRNA se fija a la subunidad menor de un ribosoma. La subunidad menor recorre la mRNA hasta el primer codón de iniciación (AUG). Entonces se ensambla el tRNA, portador del aminoácido metionina, cuyo anticodón es complementario a AUG. posteriormente, tras la actuación de unas proteínas denominadas factores de iniciación se une a la subunidad grande, que posee tres localizaciones (E,P,A). El primer aminoacil-tRNA queda alojado en el sitio P.

Fase de elongación

Se une un aa-tRNA al sitio A. Entonces se transfiere la metionina al aminoácido que ocupa el sitio A por una reacción catalizada por la peptidiltransferasa, que es una ribozima de la subunidad mayor. En este paso la metionina sa ha separado del tRNA y se ha formado un enlace peptídico.

A continuación, con la ayuda de los factores de elongación se desplaza primero la subunidad mayor, quedando el tRNA que estaba unido a la metionina en el sitio E, listo para su expulsión. A su vez, queda libre el sitio A y así puede entrar otro aa-tRNA. También avanza la subunidad menor, hasta emparejarse con la mayor.

El ribosoma avanza sobre el mRNA en sentido 5'->3'  y éste desplazamiento consume energía. (la aporta el GTP, que es similar al ATP)

...y así continúa...

Fase de terminación

Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación actúan unas proteínas llamadas factores de terminación. Dan lugar al desprendimiento de la cadena polipeptídica. Se separan las subunidades del ribosoma del mRNA.

Normalmente varios ribosomas traducen simultáneamente un mRNA (al conjunto se le denomina polisoma o poliribosomas)

Procesamiento de las proteínas

La cadena ha de sufrir un proceso de maduración en el que se suelen perder algunos aminoácidos.

6. Regulación de la expresión del mensaje genético

Existen unos mecanismos de regulación que indican en qué momentos ha de expresarse unos genes u otros. Resulta muy práctico para la célula regular la síntesis de una proteína a nivel de la transcripción.

Jacob y Monod postularon un mecanismo de regulación de la transcripción en procariotas, que se denominaron teoría del operón, la cual fue deducida del estudio de la síntesis del aminoácido triptófano en la bacteria E.Coli. La síntesis de triptófano tiene lugar mediante 5 reacciones catalizadas por enzimas que son codificadas por 5 genes que se agrupan en el DNA bacteriano. Este agrupamiento recibe el nombre de operón. 

En la región promotora de estos 5 genes hay una secuencia de DNA que recibe el nombre de operador, y a este se le puede unir una proteína represora que impida la unión de la RNA polimerasa y, por tanto, que impida la transcripción de los genes estructurales.

La proteína represora es producida por un gen regulador que se encuentra fuera del operón. La proteína represora tiene dos cnformaciones: una activa en el que puede unirse al operador, y otra inactiva.

El gen regulador sintetiza la proteína represora en su forma inactiva y para pasar a la forma activa debe unirse al triptófano. Así la ausencia de triptófano conduce a la síntesis del mismo.

7. Los genes y los caracteres del organismo

Un gen - una enzima

Los caracteres que presenta el organismo son resultado de reacciones químicas, las cuales están catalizadas por enzimas, y éstas están codificadas por genes.

El proteoma y la proteómica

Para conocer los caracteres de un organismo no basta con conocer sus genes sino que hay que conocer todas sus proteínas. El proteoma es el conjunto de proteínas presentes en un organismo.

La razón de que haya más proteínas que genes es:

• Los splicing alternativos
• Los cambios posttraductorios
• plegamientos para estructuras (secundaria y terciaria)
• unión a otros polipéptidos (cuaternaria)
• unión a glúcidos o lípidos
• Los genes polimórficos. Son variaciones en la secuencia de nucleótidos que no afectan a la funcionalidad de las porteínas.

La proteómica es la ciencia que estudia el proteoma de los organismos.

Recuerden que si quieren este documento para imprimir o guardar, deben pasarse por el FORO. Si tienen dudas pregunten en comentarios.

Posted in: Biología