Introducción a la expresión génica
Dogma central
El dogma central de la biología molecular (o flujo de información desde el ADN hasta las proteínas): ADN → ARN → proteína.
Resumen:
expresión génica
El ADN (ácido desoxirribonucleico) es el material genético de todos los organismos con vida en la Tierra. Cuando se transmite de padres a hijos, el ADN puede determinar algunas de las características de los hijos (como el color de sus ojos o de su cabello). Pero ¿Cómo puede la secuencia de una molécula de ADN realmente tener efecto sobre las características de un ser humano o de cualquier otro organismo?.
Los genes especifican
productos funcionales (como proteínas)
Una molécula de ADN no solo es una larga y aburrida
cadena de nucleótidos. En realidad, se divide en unidades funcionales
llamadas genes. Cada gen proporciona las instrucciones para formar
un producto funcional, o sea, una molécula necesaria para desempeñar un trabajo
en la célula. En muchos casos, el producto funcional es una proteína. Por
ejemplo, en el experimento de Mendel, el gen del color de las flores tiene las
instrucciones para hacer una proteína que ayuda a producir moléculas coloridas
(pigmentos) en los pétalos de las flores.
No todos los genes codifican proteínas. Por el
contrario, algunos proporcionan instrucciones para producir moléculas de ARN
funcionales, como los ARN de transferencia y los ARN ribosomales que
desempeñan papeles en la traducción.
Más sobre los genes codificantes de proteínas y de ARN
Como se mencionó anteriormente, el ADN de un
organismo puede dividirse en unidades funcionales llamadas genes.
Cada gen está compuesto de una secuencia de ADN y la secuencia proporciona
instrucciones para generar algún producto que necesite la célula. Algunos
productos son polipéptidos, mientras que otros son ARN funcionales.
La noción de que los genes regularmente producen ARN funcionales es más nueva. Ciertos tipos de ARN funcionales (como los ARN de transferencia y los ARN ribosomales) se conocen desde hace muchos años. Sin embargo, los científicos han descubierto en fechas recientes muchos otros genes que codifican ARN regulatorios, ARN no codificantes que cambian la expresión de otros genes. La manera cómo funcionan estos ARN es un área activa de investigación.
¿Cómo puede la secuencia
de ADN de un gen especificar una proteína en particular?
Muchos genes proporcionan instrucciones para
producir polipéptidos. ¿Cómo dirige exactamente el ADN la construcción de un
polipéptido? Este proceso consta de dos pasos: transcripción y traducción.
- En la transcripción, la secuencia de ADN de un gen se
copia para obtener una molécula de ARN. Este proceso es llamado transcripción porque
implica reescribir, o trancribir, la secuencia de ADN en un
"alfabeto" de ARN similar. En eucariontes, la molécula de ARN debe someterse a un procesamiento para
convertirse en un ARN mensajero (ARNm) maduro.
- En la traducción, la secuencia de ARNm se decodifica para especificar la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. El nombre traducción refleja que la secuencia de nucleótidos del ARNm se debe traducir al "idioma", completamente diferente, de los aminoácidos.
Por lo tanto, durante la expresión de un gen
codificante de proteína, la información fluye de ADN→ARN→proteína. Este
flujo de información se conoce como el dogma central de la
biología molecular. Los genes no codificantes (genes que producen ARN
funcionales) también se transcriben para producir ARN, pero este ARN no se
traduce en un polipéptido. Para cualquier tipo de gen, el proceso de pasar de
ADN a producto funcional se conoce como expresión génica.
Transcripción
En la trascripción una cadena del ADN que
compone al gen, llamada cadena no codificante, funciona como molde
para que una enzima llamada ARN polimerasa sintetice una cadena de ARN
correspondiente (complementaria). Esta cadena de ARN se llama transcrito
primario.
El transcrito primario tiene la misma secuencia de
información que la cadena de ADN que no se transcribió, generalmente llamada cadena
codificante. Sin embargo, el transcrito primario y la cadena codificante no
son idénticos debido a ciertas diferencias bioquímicas entre el ADN y el ARN.
Una diferencia importante es que las moléculas de ARN no contienen la base
timina (T). En lugar de timina, las moléculas de ARN utilizan una base similar
llamada uracilo (U). El uracilo, al igual que la
timina, forma pareja con la adenina.
Transcripción y
procesamiento de ARN: eucariontes frente a bacterias
En bacterias, el transcrito primario puede servir
directamente como ARN mensajero o ARNm. El ARN
mensajero obtiene su nombre por el hecho de actuar como mensajero entre el ADN
y los ribosomas. Los ribosomas son las estructuras de ARN y proteínas en el
citosol donde se forman las proteínas.
En eucariontes (como los seres humanos), el transcrito primario debe someterse a algunos pasos extra para convertirse en un ARNm maduro. Durante el procesamiento, se añaden casquetes en ambos extremos del ARN y se eliminan cuidadosamente algunas de sus porciones en un proceso conocido como empalme. Estos pasos no ocurren en bacterias.
El lugar donde ocurre la transcripción también es
diferente entre procariontes y eucariontes. La transcripción eucarionte ocurre
en el núcleo, donde se almacena el ADN, mientras que la síntesis de proteínas
ocurre en el citosol. Debido a esto, el ARNm eucarionte debe ser exportado del
núcleo antes de que pueda traducirse en un polipéptido. Las células
procariontes, por otra parte, no tienen núcleo, por lo que la transcripción y
la traducción se llevan a cabo en el citosol.
Traducción
Después de la transcripción (y de algunos pasos de
procesamiento en eucariontes), la molécula de ARNm está lista para dirigir la
síntesis de proteínas. El proceso de usar información de un ARNm para producir
un polipéptido se llama traducción.
El código genético
El primer paso en la decodificción de los mensajes genéticos es la traducción, durante la cual se copia una secuencia de nucleótidos del ADN al ARN. El siguiente paso es unir los animoácidos para formar una proteína. El orden en el que se unen los aminoácidos determina la forma, propiedades y función de una proteína. Las cuatro bases del ARN forman un lenguaje con solo cuatro bases de nucleótidos: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U). El código genético se lee en palabras de tres bases llamadas codones. Cada codón corresponde a un solo aminoácido (o a las señales de inicio y final de una secuencia).
Mutaciones
A veces las células cometen errores al copiar su
información genética, lo que provoca mutaciones. Estas pueden ser
irrelevantes, o pueden afectar la forma como se hacen las proteínas y se
expresan los genes.
Sustituciones
Una sustitución cambia un solo par
de bases al reemplazar una base por otra.
Hay tres tipos de mutaciones por sustitución:
- Las mutaciones silenciosas no afectan la secuencia de aminoácidos
durante la traducción.
- Las mutaciones sin sentido dan como resultado un codón de
terminación donde debería haber un aminoáciddo, lo que causa que la traducción
termine prematuramente.
- Las mutaciones de sentido erróneo cambian el aminoácido que
especifica un codón.
Los pasos de la traducción
La traducción ocurre dentro de estructuras
conocidas como ribosomas. Los ribosomas son máquinas moleculares cuya función
es construir polipéptidos. Una vez que un ribosoma se monta sobre un ARNm y
encuentra el codón de "inicio", se desplazará rápidamente por el ARNm
un codón a la vez. Al avanzar, construirá poco a poco una cadena de aminoácidos
que refleja exactamente la secuencia de codones en el ARNm.
¿Cómo "sabe" el ribosoma qué aminoácido
insertar para cada codón? Pues resulta que esta correspondencia no la hace el
ribosoma por sí mismo. En realidad, depende de un grupo de moléculas de ARN
especializadas llamadas ARN de transferencia (ARNt). Cada ARNt tiene tres
nucleótidos que sobresalen en un extremo y pueden reconocer (complementar sus
bases con) uno o unos cuantos codones en particular. En el otro extremo, el
ARNt transporta un aminoácido: específicamente, el aminoácido que corresponde
con esos codones.
Hay muchos ARNt flotando en una célula, pero solo
el ARNt que coincide (cuyas bases se complementan) con el codón que se lee en
ese momento puede unirse y suministrar su carga de aminoácido. Una vez que el
ARNt está perfectamente unido a su codón correspondiente en el ribosoma, su
aminoácido se añadirá al final de la cadena polipeptídica.
¿Qué sucede después?
Una vez terminado el polipéptido, este puede ser
procesado, modificado, combinado con otros polipéptidos o enviado a algún
destino en específico dentro o fuera de la célula. En última instancia, este
polipéptido realizará un trabajo específico para la célula o el organismo, tal
vez como molécula de señalización, algún elemento estructural o una enzima.
Recapitulación:
- El ADN se divide en unidades funcionales llamadas genes,
los cuales pueden especificar polipéptidos (proteínas y subunidades
proteicas) o ARN funcionales (como los ARNt y ARNr).
- La información de un gen se utiliza para construir un producto
funcional en un proceso llamado expresión génica.
- Los genes que codifican polipéptidos se expresan en dos pasos. En
este proceso, la información fluye del ADN→ARN→proteína, lo que constituye
una relación direccional conocida como el dogma central de
la biología molecular.
- Transcripción: una cadena del ADN del gen se copia en ARN. En eucariontes,
el transcrito de ARN se debe someter a pasos adicionales de procesamiento
para convertirse en un ARN mensajero maduro (ARNm).
- Traducción: la
secuencia de nucleótidos del ARNm se decodifica para especificar la
secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Este proceso ocurre dentro de
un ribosoma y requiere de moléculas adaptadoras llamadas ARNt.
- Durante la traducción, los nucleótidos del ARNm se leen en grupos
de tres llamados codones. Cada codón especifica un aminoácido en
particular o una señal de alto. Este conjunto de relaciones se conoce
como código genético.
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