Bloque IV. Genética. Temas Genética molecular.

Transcripción

1 Biología 2º bachillerato Bloque IV. Genética. Temas Genética molecular. ÍNDICE 1. El ADN como molécula portadora de la información genética 2. Replicación del ADN 3. Dogma central de la biología molecular 4. Transcripción 5. Traducción 6. Regulación de la expresión génica 1. EL ADN COMO MOLÉCULA PORTADORA DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Las funciones biológicas de los ácidos nucleicos pueden resumirse en el almacenamiento y transmisión de la información genética, aunque se tardó algún tiempo en averiguarlo. Se sabía que la molécula portadora de la herencia debía cumplir ciertos requisitos: - Ser químicamente estable para que la información no sufriera alteraciones - Capaz de replicarse y originar copias para las células hijas, manteniendo la información de la estirpe - Posible de transmitir a la descendencia - Susceptible de experimentar cambios que posibilitaran cierta variabilidad y con ello evolución El ADN se conocía por los experimentos de Miescher, en 1860, pero se consideraba que eran las proteínas las portadoras de la información genética. Al verse que los cromosomas se dividían y transmitían permitió comprobar que ambos componentes cumplían los requisitos. En 1928 Griffith demostró que la capacidad biológica de la bacteria Streptococcus pneumoniae para producir la cápsula y hacerse virulenta se podía transmitir de una cepa a otra por medio de una sustancia transformante que, más tarde se descubrió era el ADN. Griffith demostró que la información genética se transmitía de una cepa a otra cuando se cultivaban juntas a través de una sustancia intracelular común a todos los organismos vivos. Posteriormente en el año 1944, Avery y col., demuestran que la información genética está contenida en las moléculas de ADN, dado que si las cepas se cultivaban con enzimas destructoras de la molécula, la virulencia desaparecía. La confluencia de estudios entre la Bioquímica y la Genética, tuvo su máximo resultado cuando en el año 1953, Watson y Crick postularon el modelo estructural de doble hélice y el proceso de duplicación del ADN. Estos trabajos condujeron rápidamente a una notable confluencia de ideas así como nuevos enfoques experimentales de la Genética y la Bioquímica, que desembocaron en lo Temas Genética molecular Página 1

2 que Crick denominó Dogma Central de la Genética Molecular y que en un principio se podía resumir de la siguiente forma: ADN ARN proteína Nace de esta forma una nueva disciplina que se conoce como Genética Molecular y que es la disciplina que más ha avanzado en Biología en los últimos 40 años. De forma que actualmente el Dogma Central se ha visto modificado con nuevas relaciones. El material genético en procariotas y eucariotas En procariotas. Se encuentra libre en el citoplasma, no asociado a proteínas, casi todo tiene información para proteínas, con secuencias continuas de nucleótidos para cada gen. En eucariotas. Está encerrado en la membrana nuclear, asociado a histonas y también en orgánulos membranosos como cloroplastos y mitocondrias. Solo un 10 % codifica proteínas, el resto tiene funciones poco conocidas como la regulación de la expresión génica. Casi el 50 % del ADN es altamente repetitivo, con secuencias que aparecen miles de veces, cuya función puede ser estabilizar la molécula. Las secuencias que codifican proteínas no suelen ser continuas, se las llama exones, mientras las que aparecen intercaladas y no codifican se llaman intrones. Los intrones son más abundantes y largos cuanto más compleja y reciente es una especie, luego son una ventaja evolutiva que favorece la recombinación genética al aumentar la distancia entre exones. 2. REPLICACION DEL ADN. La replicación de una molécula de ADN consiste en la formación de dos moléculas hijas idénticas a la molécula progenitora. Por esta razón se conoce al proceso también como duplicación del ADN. Hay que considerar que las dos cadenas que forman el ADN progenitor son complementarias de manera que las cadenas que forman los ADN descendientes son también complementarias. Para que esto ocurra, el proceso de replicación puede seguir tres mecanismos diferentes: - Replicación semiconservativa: Cada molécula hija de ADN posee una cadena procedente del ADN progenitor y una cadena que es copia de la otra cadena del ADN progenitor. - Replicación conservativa: Las dos cadenas de una molécula hija de ADN son las de la molécula progenitora, y las dos cadenas de la otra molécula hija se originan por copia exacta de las dos cadenas de la molécula progenitora. - Replicación dispersiva: Las cadenas de las moléculas hijas de ADN son una combinación de segmentos originales y copias de las cadenas del ADN progenitor. La hipótesis semiconservativa fue la propuesta por Watson y Crick, pero tuvieron que pasar cuatro años (1957), para que Meselson y Stahl, demostraran mediante ingeniosos y elegantes experimentos de centrifugación, que el proceso semiconservativo era el que actuaba en la replicación del ADN de la bacteria E. coli. Temas Genética molecular Página 2

3 2.1. MECANISMO DE LA REPLICACIÓN Se lleva a cabo durante la fase S del ciclo celular. En el caso del ser humano hay millones de pares de nucleótidos, que han de copiarse unos mil billones de veces hasta conducir del cigoto al ser desarrollado. En el año 1956, Arthur Kornberg y sus colaboradores descubrieron una enzima en E. coli, que actualmente se conoce como ADN-polimerasa I. Esta enzima posee "in vivo" tres actividades enzimáticas diferentes: 1. Actividad de polimerización en sentido 5' -- 3'. Para llevar a cabo esta actividad precisa un extremo - OH 3' libre donde unir un dntp y una cadena de ADN que sirve de molde de la nueva cadena. 2. Actividad exonucleasa en sentido 5' -- 3'. 3. Actividad exonucleasa en sentido 3' -- 5'. Debido a que posee diferentes actividades, el enzima posee diferentes centros activos formados por sitios de unión y centros catalíticos. a - Sitio de unión de la cadena molde. b - Sitio de unión del cebador. c - Sitio de unión del extremo 3' del cebador. d - Sitio de unión del dntp y centro catalítico de la polimerización. e - Centro catalítico de la actividad Exo 5' -- 3'. f - Centro catalítico de la actividad Exo 3' -- 5'. Tras el descubrimiento de esta polimerasa, se identificaron en E. coli otras dos polimerasas: ADN-polimerasa II: carece de actividad exonucleasa 5' -- 3' y parece que no es indispensable en el proceso de replicación. ADN-polimerasa III: es similar a la pol-i pero se diferencia en que su actividad polimerizadora en mucho mayor (1.000 nucleótidos por segundo) por lo que se la considera la polimerasa implicada en la polimerización del ADN en los procariotas, mientras que la ADN-polimerasa I estaría implicada en la reparación del ADN durante el proceso de replicación En las células eucariotas se han aislado tres ADN-polimerasas: ADN-polimerasa α: implicada en la replicación del ADN nuclear. ADN-polimerasa ß: implicada en la reparación del ADN nuclear. ADN-polimerasa τ: implicada en la replicación del ADN mitocondrial. Temas Genética molecular Página 3

4 MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN EN PROCARIOTAS. Los procariotas poseen una molécula de ADN bicatenario y circular superenrollado. 1. Este ADN posee un origen de replicación a partir del cual se sintetizan las nuevas moléculas. Un problema inicial consiste en desenrollar con el fin de separar las cadena que van a servir como moldes de las nuevas cadenas. De esto se encargan un conjunto de enzimas tales como la girasas, que relajan el superenrollamiento, la helicasas, que separan las dos cadenas y las SSBP o proteínas que estabilizan las hebras sencillas. La actuación conjunta de estas enzimas provoca la aparición en el origen de replicación de una burbuja u horquilla de replicación que se abre a lo largo del ADN al tiempo que se sintetizan las nuevas cadenas. 2. La enzima ADN-pol III es la encargada de sintetizar las nuevas cadenas, pero para ello necesita un cebador o primer, que es un corto fragmento de ARN (10-40 nucleótidos) sintetizado por la enzima primasa (ARN-pol ADN dependiente). Por otro lado la ADN-pol III solo puede polimerizar en sentido 5' -- 3' usando como molde una cadena de ADN en sentido contrario. Utiliza nucleótidos trifosfato que ya incorporan la energía necesaria para el enlace. Esto hace que una de las nuevas cadenas se sintetice de forma continua, cadena conductora, mientras que la otra cadena se sintetiza en fragmentos (fragmentos de Okazaki), de unos nucleótidos, cada uno de los cuales posee su cebador, cadena retrasada. Si la horquilla se abre en un solo sentido (replicación unidireccional), habrá una cadena conductora complementaria de la hebra 3' -- 5' y una cadena retardada complementaria de la cadena 5' -- 3'. Si la horquilla se abre sentidos opuestos (replicación bidireccional) habrá una cadena conductora y otra retardada, en sentidos opuestos, por cada cadena molde. 3. Los cebadores de ARN son eliminados por la actividad exonucleasa 5' -- 3' de la ADN-pol I, la cual rellena el hueco (gap) gracias a su actividad polimerizadora). Por último los extremos de los fragmentos se unen gracias a la actividad del enzima ligasa. 4. Finalización. Al acabar el proceso, cada hebra nueva y la que sirvió de molde aparecen enrolladas en doble hélice. El proceso es rápido, en E. coli, unos nucleótidos por minuto. Temas Genética molecular Página 4

5 MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS. Básicamente el proceso es igual que en procariotas, sin embargo podemos observar dos grandes diferencias. 1. El ADN de eucariotas esta unido a histonas. Durante la replicación, la cadena conductora y su cadena molde forman nucleosomas con los octámeros antiguos, mientras que la cadena retardada y su molde se arrollan sobre nuevos octámeros. 2. Debido a su gran longitud, las moléculas de ADN eucariótico poseen varios sitios de inicio de la replicación a partir de los cuales comienza la replicación bidireccional de la molécula. Cada origen de replicación da lugar a un replicón o región de ADN en proceso de replicación. Los procariotas poseen un solo replicón MECANISMOS DE REPARACIÓN DE ADN. MUTACIONES El proceso de replicación es muy fiable, de manera que las dos moléculas hijas son idénticas a la madre. Durante el proceso de replicación la actividad exonucleasa 3' -- 5' de la ADN-pol III corrige los últimos nucleótidos que se incluyen en la cadena de forma errónea, debido a que al no estar bien unidos a su complementario caen dentro del centro activo de exonucleotídico (corrección de pruebas). La tasa de error se reduce de esta forma a un nucleótido por cada 10 7 incorporados. Sin embargo esta tasa es muy alta, por lo que hay un mecanismo de corrección postreplicativa, que consiste en la eliminación de fragmentos de la cadena de ADN que posee el error por la actividad de endonucleasas, y posterior relleno de los huecos por la actividad polimerasa. La actividad endonucleasa reconoce a la nueva cadena, porque la cadena molde posee metiladas las adeninas situadas en las secuencia GATC. Esto reduce la tasa de error a un nucleótido por incorporados. Estos errores heredables constituyen los que se denomina una mutación puntual o génica. Las mutaciones puntuales provocan en último término cambios en las secuencias aminoacídicas de las proteínas que codifican los genes. En la mayoría de las ocasiones las mutaciones son silenciosas pues afectan a intrones, o el cambio de nucleótido no provoca cambio de aminoácido, o el cambio de aminoácido no afecta a la función de la proteína. Las mutaciones génicas pueden ser inducidas por agentes físicos y químicos llamados mutagénicos, tales como la radiación ultravioleta, las radiaciones ionizantes tales como los rayos X, la radiación corpuscular, residuos del metabolismo tales como los radicales libres, y diversos compuestos químicos como los derivados del benceno, el ácido nitrosos y agentes alquilantes. Las células poseen sistemas de reparación que se pueden agrupar en tres categorías: a) Sistemas enzimáticos que actúan sin rotura del ADN. Por ejemplo los enzimas fotorreactivos que se activan por la luz y que reparan los dímeros de timina. b) Sistemas enzimáticos que actúan con rotura del ADN. Endonucleasas, polimerasas y ligasas. c) Sistema de reparación SOS. Que actúa cuando el ADN se ve dañado en muchos lugares y los demás sistemas de reparación se ven desbordados. El sistema SOS permite que la polimerasa pueda "leer" el error de manera que la nueva cadena incorpora ese error. Se consigue que la replicación pueda realizarse a costa de introducir una mutación. Temas Genética molecular Página 5

6 3. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR En la actualidad ya se sabe que la información genética de la célula es la causa de la síntesis de proteínas específicas, entre ellas las enzimas, responsables de las características estructurales y funcionales del organismo. En 1940 Beadle descubrió que las variaciones en el color de los ojos de las moscas del vinagre (Drosophila melanogaster) se debían a cambios en distintas enzimas de una ruta sintética de pigmentos. Más tarde, Beadle y Tatum proponen la hipótesis de "un gen-una enzima", que más tarde se amplió a un gen-una proteína. Quedaba claro que la ejecución de las órdenes contenidas en el ADN consiste en la síntesis de una cadena polipeptídica específica. 4. TRANSCRIPCIÓN: SÍNTESIS DE ARN. La transcripción es la primera etapa de la expresión genética, mediante la cual se sintetiza una molécula de ARN cuya secuencia es complementaria a la de una de las dos cadenas de un fragmento de ADN que denominamos gen. Los genes son segmentos de ADN que contienen información necesaria para la síntesis de una proteína. Sin embargo, algunos genes no contienen información para la síntesis de proteínas tal y como ocurre con los que se transcriben para originar los ARNr y los ARNt. Los genes que si poseen información directa para la síntesis de proteínas son lo que se transcriben en forma de ARNm ARN-POLIMERASAS. Las enzimas ARN-polimerasas-ADN-dependientes, sintetizan moléculas de ARN usando los ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U uniéndolos por enlaces fosfodiéster, y utilizando una cadena de ADN como molde. En los procariotas tan solo hay una clase de ARN-pol que está constituida por las subunidades α2, ß y ß', que constituyen el núcleo del enzima, y la subunidad σ (sigma), que se separa con facilidad y que es capaz de reconocer el lugar de iniciación de la transcripción (una cadena rica en T y A). En los eucariotas existen tres enzimas diferentes constituidas por diferentes subunidades: la ARN-pol I sintetiza ARNr en el nucleolo, la ARN-pol II que sintetiza ARNm y la ARN-pol III que sintetiza ARNt y el ARN 5S, siendo además la responsable de la transcripción de los genes de las histonas. Temas Genética molecular Página 6

7 En mitocondrias y cloroplastos solo existe una polimerasa constituida por una única subunidad MECANISMO DE LA TRANSCRIPCION La transcripción en ARNm atraviesa por las mismas fases, tanto en eucariotas como en procariotas. Sin embargo estas presentan claras diferencias: Los ARNt sintetizados por la ARNpol III modifican bases que son específicas como el dihidrouracilo, dimetilguanina, añadiendo además el triplete CCA en 3 (unión del aa). Los ARNr sintetizados por la ARNpol I se sintetizan como 45 S, fragmentándose después en 28 S, 18 S y 5,8 S. Estos, unidos al 5 S sintetizado por la ARNpol III y a varias proteínas, constituirán las subunidades ribosómicas. Se realiza todo en el nucléolo. Temas Genética molecular Página 7

8 Transcripción Maduración del ARNm 5. TRADUCCIÓN: SÍNTESIS DE PROTEÍNAS CÓDIGO GENÉTICO. La síntesis de proteínas ocurre en los ribosomas situados en el citoplasma. Las secuencias de nucleótidos de los ARNm llevan la información necesaria para la síntesis de proteínas. Esto es posible gracias a que a tres nucleótidos del ARNm, que constituyen un triplete o codón, les corresponde un aminoácido. La correspondencia entre tripletes y aminoácidos obedece a una clave o código genético, cuya interpretación fue posible gracias a los estudios de diferentes investigadores entre los que cabe destacar nuestro premio Nobel Severo Ochoa. Características del código genético: 1.- El código es la lista de los 64 tripletes de bases nitrogenadas de ARN (variaciones con repetición de 4 elementos tomados de 3 en 3 = 4 =64). Se trata pues de una clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, o sea, las proteínas. 2.- Un grupo de tres letras adyacentes, llamado CODÓN, codifica un aminoácido. 3.- En el ADN no existe puntuación entre un triplete y el siguiente, los tripletes se leen sin puntuación, es muy importante por lo tanto el comienzo del orden de lectura. 4.- Existen tres tripletes de terminación (UAA, UAG, UGA) y un triplete de inicio (AUG). 5.- Todas las especies de seres vivos poseen el mismo código genético, (se conocen pequeñas variaciones, especialmente para el ADN de ciertas mitocondrias y ciertos hongos). Es universal. Esto tiene como consecuencia que un organismo sintetice proteínas que no le son propias, lo cual utilizamos en biotecnología para que ciertas bacterias sinteticen proteínas humanas, por ejemplo. 6.- El código genético es muy redundante, pues un mismo aminoácido puede estar codificado por varios codones distintos. Es decir, la redundancia del código es la discrepancia numérica entre los 64 codones del ARN y los 20 aa, y es debida a: a) Cada aa está codificado por más de un triplete. Es degenerado. GUU, GUC, GUA, GUG VALINA No todos los aa están determinados por el mismo nº de codones: Leucina (6 codones), Tirosina (2 codones) b) Existen codones que determinan inicio o final de la traducción. Los tripletes que codifican un mismo aminoácido generalmente difieren en un sólo nucleótido, lo que representa una ventaja, ya que, aunque se produjera una mutación o un error en la copia de un nucleótido, no habría cambio del aminoácido, y su efecto no se notaría en la proteína. Si la mutación Temas Genética molecular Página 8

9 implica un cambio en el aminoácido, sólo sería importante si por ejemplo afectase al centro activo de un enzima. Por otro lado, si sólo hubiera 20 tripletes traducibles, habría 44 tripletes sin sentido y un simple error en un nucleótido de un triplete lo convertiría en un triplete sin sentido, interrumpiéndose la síntesis de proteínas. Temas Genética molecular Página 9

10 5.2. ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Está claro que la secuencia de tripletes del ARNm determina la secuencia de aminoácidos de la proteína, pero hay que considerar también que a cada codón del mensajero le corresponde un anticodón del ARNt. Dicho de otra forma, el aminoácido Met viene codificado por el codón AUG, que es reconocido por el anticodón UAC del ARNt, de manera que la metionina solo puede ser transportada por un ARNt con este anticodón. Cómo se unen correctamente los aminoácidos a sus correspondientes ARNt? Se podría pensar que tiene que existir un código o clave que para algunos autores sería una reminiscencia de un código ancestral presente en la fase prebiótica de la vida. Las enzimas encargadas de este acoplamiento son las aminoacil- ARNt-sintetasas, de las que existen tantas como aminoácidos, de manera que cada enzima posee un sitio de unión específico del aminoácido y un sitio de unión de los ARNt específicos de ese aminoácido. La reacción requiere ATP TRADUCCIÓN. La traducción es el proceso por el cual los ribosomas convierten la secuencia de codones del ARNm en una secuencia de aminoácidos, los cuales son transportados por los ARNt hasta los ribosomas. Es un proceso que ocurre en el citoplasma. En los eucariotas los ribosomas están unidos al retículo endoplasmático, mientras que en los procariotas están libres formando cadenas o polisomas. En ambos casos la traducción comprende tres etapas: I) Iniciación. En los ribosomas hay un sitio peptidil (P) de unión al péptido, y un sitio aminoacil (A) de unión al aminoacil-arnt. Estos lugares, al principio no están completos pues las subunidades que forman los ribosomas se encuentran separadas. Con la ayuda del factor proteico de iniciación, IF-3, la subunidad pequeña se une por el extremo 5' al ARNm (a través del CAP en eucariotas), de manera que el codón de iniciación AUG queda situado en el lugar P. Posteriormente el ARNt cargado con el aminoácido metionina (en los procariotas el primer aa es una metionina con un radical formil unido al grupo amino), se une a través de su anticodón al codón AUG del mensajero. Este ARNt va unido al IF-2 y a una molécula de GTP. La subunidad mayor del ribosoma se une tras la adición del factor IF-1, quedando completos los lugares P y A de forma que el ARNt Met ocupa el lugar P, quedando libre el lugar A para que sea ocupado por el siguiente ARNt cuyo anticodón sea complementario al codón siguiente. Posteriormente se liberan los tres factores de iniciación y una molécula de GDP y Pi, quedando así formado el complejo de iniciación. Temas Genética molecular Página 10

11 II) Elongación. Consiste en la formación de la cadena polipeptídica por adición de aminoácidos. El ARNm es leído en sentido 5'--3', y la cadena polipeptídica se sintetiza desde el extremo N-terminal hacia el C-terminal. Podemos distinguir tres etapas dentro de esta fase: 1) Fijación del aminoacil-arnt: el segundo aminoacil-arnt se coloca en el lugar A y establece enlaces de H entre las bases del anticodón y el codón. Si no existe complementariedad entre las bases del ARNt sale fuera del lugar A. Parece que la unión es suficiente con que se establezcan puentes de H entre las dos primeras bases, lo que explicaría que la "degeneración" del código genético. La unión del aminoacil- ARNt es posible gracias a la unión de los factores proteicos de elongación EF-Tu y EF-Ts junto a una molécula de GTP que se hidroliza a GDP. 2) Formación de la unión peptídica: Los dos lugares A y P se hallan ocupados con dos aminoacil-arnt de forma que los dos aminoácidos están lo bastante próximos para unirse por enlace peptídico. Pero hay que recordar que los dos aminoácidos están unidos a los ARNt a través de sus grupos carboxilo, de forma que para que se establezca el enlace peptídico el aminoácido situado en el sitio P (en esta caso la formil-metionina) se suelta del ARNt al tiempo que establece enlace peptídico con el grupo amino del aminoácido situado en el lugar A. Esta reacción de transferencia de grupos es catalizada por la peptidil transferasa que forma parte de la subunidad mayor de los ribosomas. 3) Translocación: El lugar P está ahora ocupado por un ARNt descargado, y el lugar A está ocupado por un dipeptidil-arnt. La entrada de un factor EF-G unido a una molécula de GTP, provoca la salida del ARNt descargado dejando libre el lugar P. Seguidamente se desplaza el ribosoma, de forma que el dipeptidil-arnt pasa a ocupar el lugar P dejando vacío el lugar A. El ARN-m presenta su tercer codón en el lugar A, de manera que un nuevo ciclo de elongación puede comenzar, de forma que el ribosoma traduce el ARNm en sentido 5'--3'. III) Terminación. Cuando el lugar A queda ocupado por alguno de los tres posibles codones de paro (UAA, UAG, UGA), ningún ARNt puede ocuparlo y el ribosoma da por terminada la síntesis del polipéptido. Hace falta para ello la inclusión de los factores de terminación R1 y R2. Los cuales provocan el paso del polipeptidil-arnt del lugar A al lugar P y activa la peptidiltransferasa que en este caso actúa como una hidrolasa liberando el polipéptido. Las últimas etapas son la salida del ARNt, la salida de los factores R y la posterior disociación del ribosoma. La síntesis proteica es rápida, hasta aa por minuto, y muy eficaz. Las cadenas de ARNm suelen ser leídas por más de un ribosoma a la vez (polirribosomas) con lo que en poco tiempo se sintetizan muchas unidades de la misma proteína. Temas Genética molecular Página 11

12 Animaciones sobre traducción _animations/gene3.swf La traducción en eucariotas es similar, pero se observan algunas diferencias: 1. El ARNm tiene que salir del núcleo donde se sintetiza. 2. Los ARNm son más estables que en procariotas. 3. Cada uno de ellos solo contiene información para una proteína (monocistrónicos). 4. El extremo 5 tiene metilguanosinatrifosfato para poder ser idenficado por los ribosomas. 5. Los ribosomas tienen ARNr diferentes y su coeficiente de sedimentación es algo mayor (80S). 6. El primer ARNt lleva metionina en lugar de formilmetionina. 7. Este primer ARNt se une antes a la subunidad menor que al ARNm en la iniciación. 8. Los factores de iniciación y de elongación también son distintos. 6. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA La información genética codificada en la secuencia de nucleótidos origina la síntesis de las proteínas, como hemos visto, pero no lo hace de modo continuo sino según las necesidades celulares, siguiendo el principio de economía del que ya hemos hablado. En organismos pluricelulares, además, los genes se expresan de modo distinto según el tipo de célula, de modo que la diferenciación celular se basa en la activación e inhibición permanente de diversos genes, y permite un alto grado de especialización. Así, el control de la expresión génica es imprescindible en todos los seres vivos, y se realiza fundamentalmente sobre el proceso de transcripción, que es la primera etapa. 6.1 REGULACIÓN EN PROCARIOTAS En los años 60 del siglo pasado, Jacob y Monod propusieron un modelo para explicar la regulación de la transcripción en E. coli o modelo del operón. En él existen proteínas reguladoras que controlan la transcripción de genes que a su vez codifican para enzimas implicadas en una ruta metabólica determinada. Existen cuatro tipos de genes: Estructurales. Con la información para la síntesis de las enzimas. Promotor. Donde se une la ARNpol para comenzar la transcripción. Operador. Donde se une una proteína reguladora impidiendo la transcripción de los primeros, situado justo antes que éstos. Regulador. Sintetiza la proteína reguladora y puede estar en lugar distinto a los demás. Según se trate de ruta catabólica o anabólica existen sistemas inducibles y represibles. Temas Genética molecular Página 12

13 Sistema inducible. Procesos catabólicos. La proteína reguladora es un represor activo que, al unirse al gen operador, impide la acción de la ARNpol sobre los genes estructurales. Cuando aparece el sustrato inicial de la ruta, la proteína represora cambia su conformación, se hace inactiva y deja de actuar sobre el operador. La inactivación se consigue con una molécula inductora que puede ser el sustrato o un derivado, de modo que se permite la síntesis de las enzimas. Sólo se sintetizan las enzimas cuando son necesarias, es decir, cuando hay un sustrato que catabolizar. Un ejemplo es el operón lactosa. Sistema represible. En procesos anabólicos. El represor aquí es inactivo por lo que la ARNpol actúa y los genes estructurales se transcriben. El represor se activa por la unión a un correpresor, producto final de la ruta anabólica, con lo que se une al gen operador e impide la transcripción de los genes estructurales. Así se sintetizan enzimas de la ruta hasta que existe suficiente cantidad de producto. Un ejemplo es el operón triptófano. 6.2 REGULACIÓN EN EUCARIOTAS En eucariotas es más compleja y puede tener lugar en todas las fases, desde la transcripción, maduración, transporte al citoplasma a la traducción, aunque la forma más habitual es controlar el inicio de la transcripción para evitar gasto energético innecesario. Los mecanismos ejercen su acción sobre la función de la ARN pol, que depende de la separación de las histonas del ADN y de la existencia de factores activadores que responden a distintas señales intra y extracelulares, como las hormonas. Ya hablamos del caso de los esteroides que entraban en el citoplasma, y posteriormente en el núcleo, donde se fijaban a ciertas secuencias del ADN permitiendo la transcripción. Las hormonas peptídicas se unían a receptores de membrana, activaban la adenilato ciclasa para formar AMPc que actúaba como mensajero intracelular controlando la activación génica. En algunos tipos de cánceres, los factores reguladores presentan alteraciones que provocan la activación desmesurada de ciertos genes implicados en la división celular, formándose tumores. Temas Genética molecular Página 13

14 BIBLIOGRAFÍA o SANZ ESTEBAN, M. & colab. Biología 2º bachillerato. Proyecto Tesela. Oxford Educación o ALCAMÍ, J. & colab. Biología 2. Editorial SM o ROMERO, A. Proyecto Biosfera Genética. adelante en o SÁNCHEZ GUILLÉN, J. L. Proyecto Educastur. m Test ejercicios para preparar examen LICACION/TEST.htm S_TRADU/TEST.htm ACIONES/EJERCICiOS.htm o o Animaciones de distintos procesos biológicos Otras páginas web interesantes Temas Genética molecular Página 14