Tema 11 -- La expresión de la información genética

El ADN contiene la información para las instrucciones del desarrollo de los caracteres del organismo, pero ¿cómo puede una molécula de ADN ejercer esta acción sobre todo el organismo? La forma de un ojo, por ejemplo, va a depender de las características del conjunto de las células que componen ese órgano. Por tanto, la pregunta correcta sería ¿Cómo determina el ADN las características de las células? El ADN tiene la información para hacer todas las proteínas de la célula, así como para hacer las enzimas (controla la producción de todas las demás sustancias celulares) Todas las actividades de la célula están sujetas a la acción de las enzimas que catalizan sus reacciones, por tanto, el ADN es el componente fundamental del que depende toda la célula y las reacciones que tienen lugar en ella.

La síntesis de proteínas requiere un control de especificidad, un programa que controle la secuencia específica en cuanto al número y tipo de aminoácidos que forman la proteína. Este control es ejercido por los genes de la célula. Los aminoácidos y sus secuencias los determina el ADN.

¿Cómo una secuencia de bases nitrogenadas del ADN dirige la formación específica de una proteína que esta formada por una secuencia específica de aminoácidos? Este es un proceso complejo y muy importante. Las etapas básicas de este proceso, en que la secuencia de bases del ADN dirige la secuencia de a síntesis de proteínas, fueron desveladas entre 1955 y 1965 por un gran número de científicos. La secuencia particular de bases nitrogenadas del ADN representa un mensaje químico determinado y codificado que especifica una secuencia particular de aminoácidos que a su vez formarán las proteínas. Los diferentes genes de una célula llevan mensajes distintos y la célula va a ir elaborando proteínas a medida que estas instrucciones genéticas se van dictando. El orden de aminoácidos de una proteína viene determinado por el orden de la secuencia de bases de un fragmento de ADN. Este proceso no es directo: el ADN se encuentra en el núcleo pero la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas. Existe una molécula intermedia que lleva las instrucciones para la síntesis de proteínas desde el núcleo hasta los ribosomas. Esta molécula es el ARNm. En este proceso el mensaje químico el ADN es el transcrito en la estructura del ARN, que abandona los cromosomas y va hacia los ribosomas, donde se lee esta secuencia de bases nitrogenadas. Alí es leído y en función de la secuencia de bases, los aminoácidos se irán uniendo y sintetizando, formando la proteína de acuerdo con las instrucciones genéticas (con las órdenes del ARN)

La primera etapa es el paso de la información del ADN al ARN y se denomina transcripción (ADN ARN) y la segunda etapa es el paso de la información del ARN a la proteína y se denomina traducción (ARN proteína)

Transcripción: síntesis de ARN

El ARN es un ácido nucleico formado por una base nitrogenada (adenina, uracilo, guanina y citosina), una pentosa (ribosa) y un fosfato. En la síntesis del ARN, la molécula de ADN actúa como molde, de tal manera que el ARN es la copia complementaria de un ADN. El ARN es una cadena sencilla y sus moléculas son mucho más pequeñas que las de ADN ya que son una copia de un fragmento de ADN.

Esta formado por cuatro tipos de nucleótidos. El azúcar, el fosfato y las bases nitrogenadas. Las diferencias entre ADN y ARN son:

• En el ARN el azúcar es la ribosa y en el ADN la desoxirribosa (igual que la ribosa pero con un oxígeno menos)

• En el ARN, la base nitrogenada uracilo sustituye a la timina (base típica del ADN), las demás son iguales en ambos casos (A, C y G)

• El ARN es una cadena sencilla mientras que la del ADN es de doble hélice.

El proceso de síntesis de ARN se denomina transcripción. Si el código de bases nitrogenadas de un segmento de una cadena de ADN tiene que ser copiado, el primer requerimiento es que este fragmento se desespiralice y se abra en dos cadenas. La doble hélice de ADN se abre en el fragmento que va a ser copiado rompiéndose los enlaces de hidrógeno entre las bases (ya que estos enlaces son débiles). Una de las dos cadenas sirve de molde para que se vayan alineando los nucleótidos de ARN, de tal forma que las bases del ARN que se sintetizan sean complementarias de las de la cadena de ADN. Una citosina (C) será copiada por una guanina (G) y una guanina (G) por una citosina (C). Una adenina (A) será copiada por un uracilo (U) y una timina (T) por una adenina (A). Si hubiera una timina (T) en la cadena de ADN, su complementaria sería la A porque en el ADN no hay uracilo (U). En este proceso interviene la ARN- polimerasa y al final del mismo el ARN queda libre, separándose de su molde. El ADN se cierra de nuevo por apareamiento de sus bases nitrogenadas.

El código específico del ADN se imprime en el código del ARNm de la misma manera que un negativo fotográfico que muestra los objetos oscuros como claros y los claros como oscuros (el complementario) Estos códigos invertidos del mensajero (el complementario), son el código negativo o invertido que representa los programas para la síntesis de proteínas. De esta forma, las instrucciones genéticas copiadas o transcritas del ADN al ARN ya están listas para salir desde el núcleo al citoplasma. Existen otros fragmentos de ARN (ribosómico y transferente) que no codifican o sintetizan proteínas.

Estos otros dos tipos de ARN son copiados de la misma manera a partir del ADN, pero tienen otras funciones:

• ARNr constituye más de un 50% de la masa de los ribosomas, es el lugar donde se sintetizan las proteínas. Esta síntesis de ARNr, tiene lugar en el núcleo (ARN ribosómico)

• ARNt Actúa como transportador de los aminoácidos. Los identifica y transporta de tal manera que en la síntesis de proteínas, cada aminoácido es llevado al ribosoma por su ARNt específico. Una vez que llega el ARNm al ribosoma, el ARNt coloca los aminoácidos uno a uno, es decir, los identifica y los transporta hacia el ribosoma. Cada aminoácido tiene un ARNt específico que lo libera en el lugar adecuado, por tanto, se van alineando uno a uno en una secuencia particular dictada y específica.

En la construcción de una proteína, poniendo un ejemplo:

• ARN m plano de la casa para el arquitecto

• ARN t los albañiles, operarios

• ARN r el solar sobre el que se construye la casa

Traducción: síntesis de proteínas

Una vez en los ribosomas, el ARNt libera al aminoácido en el lugar adecuado de la cadena. Van alineándose los aminoácidos a lo largo del ARNm, que se van alineando entre sí formando las proteínas específicas. La secuencia de nucleótidos en el ADN viene a ser una especie de alfabeto de cuatro unidades. Cuando la información pasa del ADN al ARN mediante la transcripción, el alfabeto sigue siendo de cuatro bases (la timina es sustituída por el uracílo) Para pasar esta información a las proteínas hay que pasar por un proceso de traducción, y nos enfrentamos a un “problema lingüístico”, es escribir en otro idioma, no copiar. El alfabeto de formación de la proteína consta de 20 señales, y ¿Cómo se forma a partir de 4 señales?

Cada aminoácido esta representado por más de una base nitrogenada. Combinamos las cuatro letras para escribir 20 palabras. Se llegó a establecer que cada grupo de tres nucleótidos o bases, codón, constituye una palabra en el lenguaje de los ácidos nucleicos y esto es traducido en el lenguaje de los aminoácidos. El lenguaje del código genético es un código de tripletes que establece la regla de correspondencia entre la cadena y los aminoácidos (cada triplete tiene un significado en términos de aminoácido) El código genético es universal, el mismo para todos los seres vivos. Terminó de descifrarse en 1965.

3 bases o 3 nucleótidos un aminoácido

El código genético es un código de tripletes que hace correlacionar codones con aminoácidos. Existen 64 codones posibles de los cuales 61 representan aminoácidos, esto quiere decir que hay más de un codón para cada aminoácido. Los tres codones restantes indican señales de terminación (STOP), donde se acaba la proteína. Aunque no hay una señal específica o universal de iniciación, si que es cierto que casi todas las proteínas comienzan con el aminoácido METIONINA (codón AUG) Un grado limitado de generación supone una ventaja adaptativa. Algunos están codificados por más de un codón; por eso se dice que el código genético está degenerado; algo que tiene una gran valía para la supervivencia y adaptación. Es una gran ventaja adaptativa porque si hay una mutación en la letra de una combinación, habrá un sinónimo que se pueda utilizar (de forma que el triplete no se altere). Se dice que el código genético está degenerando si existen sinónimos. A pesar de un cambio en la base (por mutación) el significado del triplete sigue siendo el mismo.

La síntesis de proteínas o traducción se inicia cuando el ARN mensajero llega al ribosoma y se empieza a leer desde el primer codón hasta que aparezca la primera señal de STOP (de principio a fin) formando la proteína. Los aminoácidos no son capaces de reconocer ni interaccionar con sus tripletes correspondientes (con sus codones) y por tanto existe una molécula que hace de intermediaria, el ARN transferente, que es específica para cada aminoácido. Cada aminoácido es llevado hasta el ribosoma por su ARNt específico. El ARNt tiene dos extremos, uno que se une al aminoácido particular (REGIÓN TRANSPORTADORA), y otro extremo que tiene 3 bases complementarias correspondientes al codón de finalización de ARNm (ANTICODON O REGIÓN DE RECONOCIMIENTO) Estas bases se denominan o constituyen el anticodón.

El reconocimiento y la unión (acoplamiento) del codón con el anticodón tienen lugar por formación de enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias. Este proceso asegura que el aminoácido se inserte en el sitio adecuado. La unión de cada aminoácido con su ARNt, es un proceso que viene regulado por una enzima específica y aquí la exactitud es crucial, porque si a un ARNt se le une un aminoácido que no es el suyo, será insertado en un sitio que no le corresponde y la proteína llevará un error. El enlace de un aminoácido a su ARNt tiene lugar en el citoplasma y se conoce como activación del aminoácido. Este proceso es una reacción química que requiere ATP como dador de energía y una enzima específica que se une al primer aminoácido, lo activa y facilita el reconocimiento e interacción (unión) del aminoácido con su ARNt correspondiente.

La región transportadora es donde se une al aminoácido y está formado por un triplete de bases nitrogenadas común en todos los tipos de ARNt (ACC) por lo que este triplete o codón no es específico. El otro extremo es el que funciona como región de reconocimiento de los aminoácidos. Aquí hay un triplete de bases que establece el código positivo que es semejante al de ADN (anticodón, reconocimiento de aminoácidos) El ADN da el código positivo y el ARN negativo, pero al acoplarse se acopla el complementario, esto es, otra vez positivo. Cuando el ARNt llega al ribosoma, el triplete positivo (anticodón), es capaz de enlazarse a un triplete ARNm. Los aminoácidos se van colocando a lo largo del ARNm. La unión final de los aminoácidos para formar proteínas ocurre a través del enlace peptídico, que requiere ATP, con liberación de una molécula de H₂O. La elaboración de cada tipo de proteínas está controlada por unos genes. Una cadena terminada, se suelta de sus conexiones de ARN y va a formar parte del conjunto estructural o funcional de cualquier órgano. Otras proteínas pueden ser catalizadoras, que determinan las reacciones.

Resumen de la síntesis de proteínas

El ARNm se une al ribosoma y se empieza a leer en tripletes. El primer codón del ARNm interacciona con el anticodón del ARNt, que arrastra ya un aminoácido (el primero suele ser METIONINA AUG). A continuación se lee el segundo codón que interacciona con su anticodón correspondiente que lleva el segundo aminoácido de la cadena. El ARNt del primer aminoácido queda libre y sale del ribosoma dispuesto a coger nuevos aminoácidos mientras se sintetizan los anteriores, el 1 y el 2, mediante un enlace peptídico. El proceso continúa de la misma forma, creciendo la cadena de aminoácidos hasta que finalmente llega al codón de terminación, liberándose la proteína recién sintetizada. Una vez finalizada la formación de la proteína el ARNm puede ser reutilizado. Es muy frecuente que, antes de que se finalice una proteína, ya se estén sintetizando otras. El ARNm finalmente se degradará (su duración no es fija)

La construcción de una proteína es un proceso increíblemente eficaz. Los aminoácidos se incorporan a la proteína aproximadamente a la velocidad de 100 por segundo. Nuestras células hacen más de un millón de enlaces peptidicos en una célula por segundo. La formación de una proteína llevará menos de un minuto. El cuerpo humano contiene muchisimas proteínas y nuestras células la están elaborando (reponiendo) contínuamente. Tenemos alrededor de 60.000 tipos de proteínas diferentes.

Mutaciones

Para la efectividad del material genético necesitamos estabilidad en las copias de los genes. Mediante el proceso de replicación del ADN se forman estructuras inalteradas generación tras generación, pero a veces no ocurre así. La herencia es un proceso conservador, pero no completamente, ya que a veces se cometen “errores” en cuanto a su cantidad, su secuencia… y las células hijas difieren de sus progenitores en la secuencia de bases nitrogenadas, en la longitud o cantidad del ADN…Estos cambios en el material genético se llaman mutaciones y se transmiten generación tras generación (son estables y se transmiten)

Esto dará como resultado una proteína alterada. El cambio a veces puede ser enorme. Las mutaciones ocurren con una frecuencia baja y al azar, por lo que se pueden predecir. Se puede producir mutaciones a propósito, es decir, se pueden provocar con agentes mutagénicos, rayos X, radiaciones... Las mutaciones no son siempre perjudiciales, negativas; en algunas ocasiones el gen mutado puede dar lugar a una proteína más efectiva siendo un avance para el organismo. Estas mutaciones suponen una fuente de variabilidad para la adaptación de las especies. Aunque también ocurren a nivel cromosómico, ahora veremos las mutaciones génicas. Las mutaciones génicas suponen cambios de 1 o 2 nucleótidos, de bases nitrogenadas de un gen. Hay varios tipos:

• Sustitución cambio de las bases nitrogenadas en una posición del triplete (es el cambio más leve)

• Pérdida o delección perdida de uno o varios nucleótidos o bases (ACCG CCG)

• Adición o inserción suma de 1 o más nucleótidos, bases nitrogenadas (ACCG ACCGA)

Un único cambio en una base, puede producir un cambio en la funcionalidad o en la capacidad estructural de la proteína formada. Las mutaciones suponen una fuente de variabilidad pudiendo ser el motor de la evolución.

Consecuencias de las mutaciones

El efecto primario de la mutación de un gen es el cambio en una proteína y ese cambio puede afectar a uno o a muchos aminoácidos, puede suponer la pérdida de una proteína…

Algunas enfermedades producto de mutaciones son:

• Albinismo falta de pigmento oscuro de la piel (melanina) En la producción de la melanina interviene la Tirosinasa, que cataliza la reacción de producción de melanina a partir de la Tirosina. El gen normal codifica la Tirosinasa y cataliza la reacción. Los individuos albinos tienen el gen mutante que produce una inactividad de la Tirosinasa, por lo que no se produce Melanina (carencia de pigmento por inactivación de la Tirosinasa) Esta enfermedad, esta producida por un par de genes. Una de cada 20 000 personas son incapaces de sintetizar la Melanina (mutación de carácter enzimático)

• Fenilcetonuria (FCU o PKU) Enfermedad causada por un gen recesivo. Entre los síntomas es común el retraso mental agudo y desordenes convulsivos. No pueden metabolizar adecuadamente el aminoácido fenilalanina, que en individuos normales se transforma en tirosina. Este paso esta catalizado por la fenilalanina hidrolasa y a estos enfermos les falta el gen para producirla. Acumulan fenilalanina y sus derivados en la sangre y se convierte en derivados anormales: el ácido fenilpirúviso, que dañan el tejido cerebral, es decir, que afecta al cerebro (mutación de carácter enzimático) Los niños afectados por fenilcetonuria en su sangre y orina tienen mayores niveles de fenilalanina y sus derivados.

La fenilalanina y la tirosina son dos aminoácidos esenciales para nuestra vida y una parte importante de las proteínas. En general, su suministro esta bien cubierto por la alimentación. De cada 10.000 personas nacidas, 1 padece fenilcetonuria porque sus dos alelos son defectuosos.

Los síntomas serían: severo retraso mental con puntuaciones menores de 30 en CI (solo un 1% de FCU tienen puntuaciones de CI mayores de 60) La mayoría sufre desordenes convulsivos y otros signos de difusión neurológica (reflejos exagerados, anomalías posturales…. Muchos mueren antes de alcanzar los 30 años (menos esperanza de vida) Los individuos con FCU son rubios, de constitución pequeña, con ojos claros, color de piel clara, etc La enfermedad puede considerarse como una enfermedad del hígado porque la fenilalanina es específica del mismo (la enzima es hepática) ¿Cómo se llega del hígado al SNC? El que afecte al cerebro puede deberse a que niveles altos de fenilalanina sean perjudiciales para el desarrollo del Sistema Nervioso (alto nivel de la enzima en sangre provoca alteraciones corticales) Se han desarrollado tratamientos sobre la base de las perturbaciones químicas y cuanto existen una alta concentración de fenilalanina en sangre, cuando se identifica la fenilcetonuria, a los individuos afectados se les somete a una dieta especial baja en fenilalanina y rica en otros aminoácidos esenciales. Se ha demostrado que los individuos que han seguido este tratamiento muy tempranamente muestran un CI mayor que individuos que no lo recibieron (valores significativamente más elevados)

• Anemia falciforme Efecto de una mutación de un gen que no tiene carácter enzimático (es de carácter proteínico) Esta enfermedad se produce por una mutación en un gen que codifica la proteína de la sangre: la hemoglobina, transportadora de oxígeno en todo el cuerpo. La hemoglobina de los individuos que tienen anemia falciforme difiere únicamente en un aminoácido de la hemoglobina normal. Sin embargo, este pequeño cambio hace que la hemoglobina mutante adquiera una estructura muy diferente al de la hemoglobina normal (una conformación espacial diferente) El glóbulo rojo va a adquirir una forma de media luna distinta de la forma de disco (circular) de los glóbulos normales. Estos glóbulos con forma de hoz tienen una vida más corta y se va a producir una situación de anemia que puede llegar a ser mortal (parálisis, alteraciones reanales…) Se acumulan provocando falta de oxigeno y provoca anemia. Sus síntomas se basan en que origina debilidad, escaso desarrollo, problema renal, reumatismo, parálisis, etc.

Todas las proteínas pueden sufrir mutaciones, pero no tienen porque ser todas malas.

Regulación de la expresión genética

Cualquier tipo de célula tiene información para sintetizar miles y miles de proteínas diferentes. Sin embargo, solo una fracción de esta información se utiliza en un momento dado, es decir, no hay ninguna célula que sintetice a la vez todas las proteínas que puede sintetizar con su información. Por tanto, debe existir algo que regule la síntesis de proteínas, la expresión genética debe ser regulada.

Decimos que un gen se expresa cuando se transcribe y se traduce a una proteína. Todas las células de nuestro cuerpo tienen los mismos genes; el que en un organismo se sinteticen unas proteínas y en otro otras, no se debe a que tengan diferentes genes. Diferentes células expresan diferentes genes. Todos los procesos de diferenciación del organismo se explican por las diferencias de la expresión genética. Esta diversidad de proteínas no se debe a diferentes genes, sino que todas tienen la misma información en su ADN y difieren entre sí porque expresan diferentes genes.

Existen muchas posibilidades de regulación genética. Cuando no se requiere una proteína, hay varias posibilidades: ésta proteína puede ser inactivada o degradada. Pero este proceso no es muy rentable. Más económico para la célula sería inactivar o degradar el ARN antes de que se traduzca a proteínas. Pero todavía no es lo suficientemente económico. Sin duda, el sistema más económico es inactivar el gen del ADN para que no se transcriba y no se produzca.

Existen diferentes posibilidades para incrementar la síntesis de proteínas: aumentar el número de genes que controlan la proteína, incrementar la velocidad de transcripción, disminuir la velocidad de degradación del ARN (que será traducido más veces), aumentar la tasa de traducción, hacer más estable la proteína (aumentar su vida media)…todos estos pasos se dan en la naturaleza. Estos mecanismos no están perfectamente estudiados. Sin duda, uno de los procesos más importantes para la célula y de los más estudiados es el control de la transcripción (activación o inactivación de genes)

A principios de los años 60, en el instituto Pasteur de París, Jacob y Monod propusieron un modelo para explicar el mecanismo por el cual los genes eran activados y reprimidos, y lo llamaron modelo de Operon. Observaron unas bacterias, la Escherichia Coli (célula procariota, muy común en el intestino de los seres humano) y vieron que cuando crecen en un medio rico en glucosa, sintetizan todas las enzimas que van a catalizar las reacciones de degradación de la glucosa, obteniendo energía. Observaron que, cuando a estas bacterias se las pasaba a un medio con otro azúcar distinto (lactosa) sintetizaban enzimas que catalizaban las reacciones para degradar completamente la lactosa, y reprimían la síntesis de las enzimas que utilizaban para degradar la glucosa. Esta capacidad de adaptación al medio, supone una ventaja evolutiva.

Según el modelo del Operon, los genes que codifican para las enzimas de una misma ruta metabólica y que se van sintetizando de una manera coordinada o secuencial, están situados de forma adyacente y se denominan genes estructurales. Todos estos genes estructurales están controlados por otro gen adyacente y que se denomina gen operador. A su vez, el gen operador está controlado por el producto de un gen (proteína) y es el gen regulador que normalmente está alejado de los otros. El producto de este, se denomina proteína represora, (represor, molécula represora) que interacciona con el operador y lo inhibe, con lo que inhibe la expresión de los genes estructurales.

Solamente cuando en el medio donde se encuentra la célula existe un inductor o molécula inductora o un inductora (glucosa) que inactive a la proteína represora (interactuando con ella), quedando el operador libre, se produce la expresión de los genes estructurales (que se transcribirán y traducirán a proteínas)

La molécula inductora suele ser la primera de la ruta que requiere la actividad de las enzimas (glucosa) A este sistema se le denomina inducible. En un sistema inducible, el represor se inactiva por medio de la acción de un agente inductor y el operón al desbloquearse permite la expresión de los genes.

Hay otro tipo de sistema que se activa de igual modo para el proceso contrario. Los genes se encuentran activos pero, cuando hay mucha cantidad de proteínas (de producto final), se inactiva el operador por medio de un represor. Los productos proteicos elaborados por el operador se combinan con el exceso de producto final (represor y correpresor van a interaccionar) y se inhibe la expresión de los genes estructurales. Este sería el caso de los genes reprimibles o sistemas represibles. Este control a través de los operones ahorra energía de la célula y le permite adaptarse al ambiente. Los compuestos que entran en la célula como alimento pueden funcionar como inductores para la activación de las enzimas.

En los organismos eucariotas superiores, no se han encontrado sistemas de este tipo. Se han encontrado regiones reguladoras en el ADN capaces de activar o inactivar los genes.