Biología Profundización

Transcripción

1 UNIDAD 1: GENÉTICA SUB-UNIDAD 2: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Biología Profundización En esta sesión tú podrás: - Comprender los procesos de traducción, maduración de proteínas y regulación génica de los procesos de la expresión génica. - Reconocer los sucesivos procesos de la expresión génica, relacionando cada uno de estos procesos entre sí, y comprendiendo que esta secuencia es de vital importancia para la sobrevida celular y en consecuencia del organismo, por lo que hay mecanismos regulatorios de la expresión. TRADUCCIÓN Maduración de proteínas y regulación genética A partir de los procesos de transcripción y maduración de ARNm, ya poseemos una molécula capaz de ser transportada al citoplasma, unirse al ribosoma y que posee de una secuencia de codones con la estructura requerida para generar una proteína funcional. El paso siguiente consiste en traducir este lenguaje escrito en base a tripletes o codones generados a partir de cuatro letras, que como ya sabemos, corresponden a las cuatro bases nitrogenadas distintas que forman parte y dan nombre a los nucleótidos del ARNm, al lenguaje de aminoácidos y proteínas. Para hacer posible la traducción, el ARNm es transportado al citoplasma por proteínas que reconocen las secuencias específicas añadidas en la maduración post transcripcional que describimos anteriormente. Los orgánulos celulares capaces de entender el lenguaje de codones del ARN y traducirlo a una cadena de aminoácidos son los ribosomas, los que poseen una estructura y organización particular acorde a la función que cumplen (Fig.1) El ribosoma consiste en una unidad funcional compuesto por dos subunidades, estas subunidades están formadas por dos macromoléculas diferentes: proteínas y Autor: Daniel Oyanedel T. / Edición: Katherine Brante C. Consultas: biología@preusm.cl / 1

2 ARN ribosomal (ARNr), que como señalamos con anterioridad también es producido mediante transcripción del ADN, pero por una ARN polimerasa distinta a la encargada de sintetizar el ARNm, al igual que las Otra molécula indispensable en el proceso de traducción es el ARN de transferencia, ya que son las encargadas de transportar los aminoácidos que están libres en el citoplasma hacia la zona de ensamblaje de los ribosomas, según el orden que dicte la secuencia de codones que está siendo leída y traducida. El ribosoma contiene distintos sitios que definirán la secuencia de ensamblaje de los aminoácidos transportados por el ARNt. Antes de abordar este tema, describiremos a la molécula de ARNt de un punto de vista estructural y funcional, ya que posee algunas características importantes para lograr comprender a cabalidad el proceso de traducción. Figura 1. Unidad ribosomal y las subunidades que la componen. ARN de transferencia El ARNt es una molécula relativamente pequeña de aproximadamente 80 nucleótidos que a diferencia del ARNm posee una estructura especial tridimensional o secundaria en forma de trébol resultado del apareamiento interno de algunos nucleótidos complementarios. Su función será llevar hasta el ribosoma el aminoácido correspondiente al codón que en ese momento este siendo leído por el ribosoma, para este objetivo, en primer lugar debemos deducir que deben existir a lo menos 20 tipos de ARNt distintos, uno para cada aminoácido distintos, por lo tanto estructuralmente deberían existir dos zonas de unión importantes: una con un sitio para los aminoácidos y otra capaz de reconocer y unirse a los distintos codones presentes en el ARNm. Efectivamente estas dos zonas están presentes en el ARNt en donde el anticodón, que corresponde a un triplete complementario al codón presente en el ARNm produce el acoplamiento de los ARNt con el ARNm mientras en el extremo 3 de éste ARNt se encuentra acoplado el aminoácido correspondiente para ese codón. La relación entre ARNt, ARNm y aminoácido, puede ser representada de forma simplificada de la siguiente manera aplicándolo para un codón hipotético (Fig. 2). 2

3 Figura 2 Relación entre el ARNt, ARNm y aminoácido. Tener en cuenta que esto constituye un ejemplo de la unión entre los tres componentes antes nombrados y no una aproximación precisa al mecanismo de la traducción que se describirá más adelante. Ya estamos en condiciones de describir el mecanismo de traducción en donde sucesivos codones pertenecientes a una cadena de ARNm son traducidos a una secuencia de aminoácidos que para ser ensamblados son transportados desde el citoplasma a los ribosomas, unidos a los distintos ARNt. Traducción Ya describimos una estructura general del ribosoma constituida por dos subunidades, la menor denominada 40S y la mayor denominada 60S. Cada una de estas subunidades cumplirá un rol específico en el proceso de traducción. Si bien este es un proceso continuo, podemos dividirlo en tres etapas para su estudio, que pasaremos a revisar a continuación. 1. Iniciación: Al comienzo de la traducción el ribosoma como unidad funcional se encuentra desensamblado con sus subunidades libres en el citoplasma. La molécula de ARNm, a ser traducida, se acopla a una zona de la subunidad menor 40S por medio de su extremo 5. Una vez unido el ARNm, la primera molécula de ARNt lleva el primer aminoácido, que siempre es metionina, a la zona de unión entre la subunidad 40S y el ARNm. Por complementariedad de bases el codón del ARNm y el anticodón del ARNt se unen de forma antiparalela. A continuación, la subunidad mayor 60S se acopla a la subunidad 40S completando el llamado complejo de iniciación. La subunidad mayor posee 2 espacios contiguos dentro de su estructura: el espacio P (peptidílico) que es ocupado por el primer ARNt unido a metionina (en la forma de N-formilmetionina o fmet) y el espacio A (Aminoacilico) que se encuentra inicialmente vacante (Fig. 3). 3

4 2. Elongación: Un segundo ARNt, definido por el codón que se encuentre a continuación del codón de inicio, se coloca en el sitio A, una vez sucedido esto, se forma un enlace peptídico entre los aminoácidos anclados en el sitio P y A, y se rompe el enlace entre el ARNt del sitio P y su aminoácido, quedando el dipéptido (dos aminoácidos unidos) recién formado anclado al ARNt presente en el sitio A. El ribosoma se mueve en dirección 5 3, desplazando y desprendiendo al primer ARNt y posicionando al segundo en el espacio P dejando el espacio A vacante para el siguiente ARNt que aportara el aminoácido que corresponda para elongar el péptido en formación. El nombre de los sitios peptidílico y aminoacílico responde al hecho de que si se analiza la descripción anterior, se evidencia que el sitio P será el que contendrá el polipéptido en crecimiento unido al último ARNt cuyo aminoácido fue incluido a la cadena peptídica mientras que el sitio aminoácido alberga transitoriamente al ARNt y su aminoácido antes de que sea enlazado al péptido en elongación (Fig. 3). 3. Terminación: La proteína en síntesis tendrá un tamaño definido por la longitud entre el codón de inicio y el de término de la hebra de ARNm. Las secuencias que sirven de señal de alto para la síntesis de proteica están definidas en tres posibles codones (UAA, UAG, UGA) que al ser alcanzados por el ribosoma y debido que no codifican para ningún aminoácido, causa que el polipéptido se desprenda del ARNt que lo mantiene anclado al sitio P y que las subunidades del ribosoma se desensamblen, dejando al polipéptido recién sintetizado libre en el citoplasma (Fig. 3). 4

5 Figura 3. Las tres etapas de la traducción, complementar con la descripción anterior Modificaciones post-traduccionales o maduración El producto del proceso de traducción es una cadena lineal de aminoácidos unidos por un enlace peptídico, sin embargo, para que esta proteína tenga una función biológica debe plegarse y adquirir una estructura tridimensional. Debido a las características químicas de los distintos aminoácidos que pueden formar parte de una proteína el plegamiento puede suceder de manera espontánea en donde la cadena adopta la estructura más estable posible, este plegamiento además puede ser asistido por un conjunto de proteínas llamadas proteínas chaperonas que no forman parte de la proteína pero la asisten en el proceso de plegado. 5

6 Por otro lado, hay proteínas que requieren una modificación que va más allá de la adquisición de una estructura en tres dimensiones, que son generalmente aquellas proteínas que tienen como destino formar parte física y funcionalmente de algún orgánulo celular, a estas proteínas además se les añaden grupos químicos variados e incluso pueden ser sometidas a la eliminación de algunos aminoácidos. Algunas de las modificaciones post traduccionales más comunes son: - Adición de grupos funcionales como por ejemplo grupos fosfato (PO 4 ), metilo (CH 3 ), o hidroxilo (OH) que modificaran el plegamiento y permitirán que la proteína posea potenciales de interacción con otras moléculas, que sin estos grupos estarían ausentes. - Glicosilación: Consiste en la añadidura de uno o más glúcidos (azúcares) a la estructura proteica. Estos azucares son parte esencial de los sistemas de reconocimiento celular constituidos por glicoproteínas de membrana. - Modificación de aminoácidos: De los 20 aminoácidos codificados genéticamente se pueden llegar a formar hasta más de 100 derivados de éstos con propiedades químicas distintas a sus precursores. - Proteólisis de segmentos: mediante actividad enzimática, se retiran segmentos de la cadena original. Un ejemplo de este mecanismo es la activación por proteólisis parcial de la insulina desde la preproinsulina. Regulación génica Hemos estudiado hasta ahora el proceso por el cual la información contenida en el ADN, en base a un código definido por la estructura de las hebras que lo componen, logra ser expresada en forma de macromoléculas que cumplen roles funcionales en el contexto de los procesos vitales de una célula, sin embargo, no tiene sentido que estas macromoléculas, ya sea ARNt, ARNr o proteínas estén siendo sintetizadas sin un control que responda a las condiciones en que se encuentra enfrentado el organismo, en parte porque constituiría un gasto energético innecesario, además no permitiría una regulación de la velocidad de las respuestas del organismo frente a las fluctuaciones del ambiente, en el caso de los organismos pluricelulares la regulación genética es la responsable de la diferenciación y especialización celular, la base de la configuración de un organismo multicelular. 6

7 La regulación genética en procariontes y eucariontes siguen sistemas diferentes, pero con un objetivo común. Procariontes Uno de los modelos de regulación que se utilizan para explicar los fundamentos de la regulación en procariontes es el del operón lactosa. Un operón es un grupo de genes adyacentes entre sí, dentro del cromosoma único, que codifican para proteínas con funciones relacionadas y que son transcritas al mismo tiempo y reguladas en conjunto. La estructura de un operón se constituye por una secuencia promotor que sirve de sitio de unión para la polimerasa, una secuencia operador en donde se une la proteína represora de la transcripción y los genes estructurales que codifican para las proteínas, generalmente enzimas, que participan en una vía metabólica en común, por lo tanto en conjunto producen un efecto dentro del metabolismo bacteriano. También se considera parte del operón, aunque generalmente se encuentra en una zona distante del cromosoma, a la secuencia reguladora, que es la contiene la información para sintetizar la proteína represora. Operón lactosa La expresión de las enzimas codificadas en el operón lactosa, permite la metabolización la lactosa como fuente de alimento. Y su activación o inhibición dependerá de la presencia o ausencia de ésta. En condiciones de ausencia de lactosa el operón se encuentra inhibido por la proteína LacI que posee gran afinidad por el sitio operador, por lo tanto su unión con esta secuencia inhibe el avance de la ARN polimerasa, de la transcripción y por lo tanto de la síntesis de las tres enzimas que componen los genes estructurales de este operón. Sin embargo, la proteína represora posee un sitio de unión para la lactosa (específicamente alolactosa), con el efecto de que la unión con ésta reduce la afinidad del represor para unirse al operador, causando el desprendimiento de éste y posibilitando el avance de la ARN polimerasa y la transcripción de los genes. Una vez que toda la lactosa presente en el medio fue consumida la proteína represora se vuelve a unir al operador y la transcripción del operador se anula nuevamente impidiendo el gasto innecesario de una síntesis constante de las enzimas de degradación de la lactosa incluso en los momentos en que no existe sustrato (lactosa) para degradar. 7

8 Eucariontes En las células eucariontes los genes se disponen en cromosomas separados entre sí, y no existe el sistema de expresión en base a operones, esto sumado a la pluricelularidad que la activación y desactivación de grupos de genes en los distintos linajes celular configura una serie estrategias de regulación en las distintas etapas del flujo de información de ADN a proteína. La mayoría de estas estrategias ya han sido desarrolladas a lo largo de todo la unidad de genética, aunque sin contextualizarlas específicamente bajo la denominación de mecanismos de regulación génica sino que más bien se describieron insertas dentro de los distintos procesos descritos, por lo que ahora se entregará un pequeño resumen de ellas. 1) Condensación de la cromatina: Durante la fase en que se realiza la síntesis de ARN las zonas del ADN que codifican para proteínas permanecen en una disposición laxa, haciendo accesibles a estas secuencias a las distintas enzimas, factores de transcripción y proteínas reguladoras que permiten que la transcripción se lleve a cabo. Por lo tanto la condensación y des condensación de la cromatina, representa un control sobre el componente temporal de la transcripción. 2) Promotores y potenciadores: Durante el proceso de transcripción describimos una serie de secuencias anexas a los genes que Servín de zona de unión a distintas moléculas involucradas directa e indirectamente sobre la transcripción de ADN. Dentro de estas secuencias podemos encontrar 2 que tienen una significancia en la regulación génica: las secuencias promotoras y las reguladora, en el caso de la secuencia promotor, la unión preliminar de los distintos factores de transcripción era el punto de inicio que permitía la unión de la ARNpol II y el comienzo de la transcripción, por lo tanto la síntesis diferencial de estos factores de transcripción constituirá una forma de inducir o reprimir la síntesis de transcriptos de un ARNm específico. En el caso de las secuencias reguladoras, la unión con proteínas específicas determinará un aumento en la tasa de transcripción al potenciar la velocidad de procesamiento de la ARN pol. 3) Splicing alternativo: Los distintos procesamientos post-trancripcionales que podían generar variantes de ARNm maduro a partir de una misma secuencia de transcripto primario, también representa una forma de controlar las proteínas que serán producidas al final del proceso de expresión. 4) Modificaciones Post- traduccionales: El mejor ejemplo son las proteínas que no poseen actividad biológica sin antes ser sometidas a algún tipo de adhesión de 8

9 grupos funcionales, o proteólisis parcial de uno o más segmentos. Lo que también puede ser considerado regulación de la expresión genética ya que el objetivo final de este flujo de información es la producción de una proteína funcional, por lo tanto sin estas modificaciones post tradicionales los poli péptidos sintetizados constituirían sólo un producto sin una utilidad real dentro del organismo. Prepárate para la PSU! Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer atentamente: 1. Se afirma que las proteínas son los genes en acción, Cuál de la(s) siguiente(s) enunciado(s) la apoya(n) esta afirmación? I. El DNA está formado por aminoácidos. II. El DNA y el RNA tienen el mismo significado a pesar del cambio de timina por uracilo. III. En ambos el anticodón utilizado es el mismo. A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y II E) II y III 2. Para que se pueda expresar la información genética, debe ocurrir: I. Permutación cromosómica. II. Transcripción de ARN. III. Síntesis de proteínas. A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y II E) II y III 3. La transcripción y la traducción tienen en común: I. La acción de las mismas enzimas. II. Que son procesos que requieren energía. III. Los productos que se sintetizan. A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y III E) I, II y III 4. Para que un compuesto favorezca el proceso de traducción, debe: I. Bloquear los genes del nucleolo. II. Activar enzimas que catalizan la formación de enlaces peptídicos. III. Favorecer la unión entre las dos subunidades ribosómicas. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) II y III E) I, II y III 9

10 5. El código genético presenta las propiedades o características listadas, EXCEPTO: A) Los tripletes codifican para los mismos aminoácido en la inmensa mayoría de los organismos de vida libre (universal). B) Cada aminoácido puede ser codificado por más de un triplete (degenerado). C) Una base de codón puede pertenecer a más de un triplete o codón (traslapado). D) Pueden existir sinónimos para cada aminoácido (redundante). E) No hay nucleótidos separadores de cada codón (continuo). 6. La posición de un aminoácido en una proteína está dada por la posición del codón en el (la): A) mrna maduro. B) mrna traducible. C) Señal de término. D) Transcrito primario. E) Secuencia promotora. 7. El proceso por el cual una molécula de ARN genera una Proteína se denomina: A) Trascripción B) Traducción C) Replicación D) Autoconservación E) Trascripción reversa 8. En el marco de la síntesis proteica, Cuál es la función que cumple el ARNm? A) Corresponde a un gen del ADN que especifica la secuencia de aminoacidos de una proteína. B) Esta encargado de traducir el mensaje genético que proviene desde el ADN. C) Representa un lugar físico en el que ocurre la fabricación. D) Está encargada de iniciar la lectura del mensaje genética. E) El ARNm no participa de este proceso. 10