Biología Profundización

Transcripción

1 UNIDAD 1: GENÉTICA SUB-UNIDAD 2: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Biología Profundización En esta sesión tú podrás: - Conocer el proceso transcripcional y post-transcripcional. - 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, y de las consecuencias en las fallas de éstos. Transcripción y proceso post- transcripcional Ya conocemos la estructura del ADN y sus componentes, junto con el concepto de gen y cómo la expresión de éstos se relaciona con la síntesis de las proteínas que componen el fenotipo de un individuo, en la forma de un flujo de información que puede ser expresado mediante el siguiente esquema general: Figura 1. Flujo simplificado de la información desde ADN a proteína. Autor: Daniel Oyanedel T. / Edición: Katherine Brante C. Consultas: biología@preusm.cl / 1

2 Sabemos también que el ADN y los ribosomas, orgánulos encargados de la síntesis proteica, se encuentran separados en dos compartimientos celulares independientes, por lo que las instrucciones contenidas en el ADN son copiadas en una molécula mensajera que pueda ser transportada al citoplasma celular y entregar la información de la secuencia proteica a los ribosomas. Esta molécula es el ARN mensajero, y la copia de información de ADN a ARNm recibe el nombre de transcripción. Recordar que además del ARNm existe el ARNt y ARNr que si bien cumplen otras funciones, también son producidos en el proceso de transcripción, en este caso nos centraremos en el ARNm ya que es el que forma parte del flujo de información. Transcripción Este proceso, como sucede generalmente en el ámbito biológico, es resultado de la interacción, específica y coordinada, de una serie de elementos heterogéneos, que trabajando de forma conjunta logran producir una actividad biológica determinada. Para la transcripción necesitamos los siguientes elementos: - Hebra molde de ADN que determine un gen específico - ARN polimerasa - Factores de transcripción - Nucleótidos La cadena o hebra de ADN molde, como su nombre lo dice, sirve de molde en base al cuál será generada la cadena de ARN. En el contexto de la transcripción, aparte de la secuencia que determina el gen que se será transcrito, debemos considerar otras secuencias anexas, que si bien, no son parte del mensaje, son vitales para que la interacción entre los elementos, de la que hablábamos anteriormente, pueda ocurrir. El gen, más estas secuencias anexas pueden ser representadas de la siguiente forma: 2

3 Figura 2. Gen y secuencias anexas Un buen observador, notará dos cosas importantes: en la imagen sólo se muestra una de las dos cadenas que componen la molécula de ADN y la orientación de esta cadena es de 3 5. En el proceso de la transcripción este hecho se fundamenta en la forma en que trabaja la enzima encargada de sintetizar la cadena de ARN: sólo pueda ensamblar los nucleótidos en una sola dirección, y esta es de 5 3, por lo tanto la cadena de ADN que le sirve de molde debe tener la orientación contraria, esto es de 3 5, como se muestra en la imagen. Esta enzima encargada de la síntesis de ARN recibe el nombre de ARN polimerasa, de la cual, involucradas en la transcripción existen 3 distintas, denominadas ARNpol I, ARNpol II y ARNpol III. Nuevamente hay que tener en cuenta que la información contenida en el ADN permite la síntesis de distintos tipos de ARN: el ARN mensajero, encargado de transportar la información para la síntesis proteica, el ARN ribosomal que forma parte de los ribosomas, orgánulos en donde se ensamblas las proteínas en base a la información que proporciona el ARN mensajero proveniente de la transcripción del ADN, y el ARN de transferencia, que lleva los aminoácidos hasta el ribosoma para ser ensamblados en la cadena poli peptídica. Éstos distintos ARN no son producidos por la misma ARN polimerasa por esto 3

4 existen los 3 tipos distintos, en donde la ARNpol II es la encargada de sintetizar el ARNm. Este proceso en el cuál la ARNpol II copia la información contenida en el ADN requiere un contacto físico entre la enzima (ARNpol II) y la hebra molde de ADN, por lo tanto se requiere un sitio de unión en el ADN con una secuencia específica que sea reconocida por la enzima, esta zona de reconocimiento y de unión se conoce como zona promotor. A esta zona promotor no solo se une la ARNpol II, existen otras proteínas denominadas factores de transcripción que se deben unir con antelación a la secuencia promotor para permitir la posterior unión de la ARNpol II, los factores de transcripción son un método de controlar la síntesis de ARN y por lo tanto constituyen reguladores de la expresión genética, al igual que la secuencia reguladora que mediante la unión con proteínas específicas puede controlar la velocidad a la que sintetiza ARN la ARNpol. Una vez unidos los factores de transcripción y la ARNpol II a la secuencia promotor, comienza la transcripción, que consistirá en el avance de la enzima a lo largo de la hebra de ADN a medida que va separando las hebras, leyendo la hebra molde y copiando su información en forma de ARNm, hasta que la enzima se encuentre con la secuencia de término, lo que provocará que ésta se desensamble de la hebra de ADN poniendo fin a la transcripción (Fig. 3). Figura 3. (1) Unión de los factores de transcripción a la secuencia promotor. (2) Unión de la ARNpol II al sitio promotor de la cadena molde y apertura parcial de 4

5 la doble hebra a medida que avanza en dirección 5. (3) Elongación de la cadena de ARNm. (4) Secuencia de la hebra molde que señala el término de la transcripción. (5) Nucleótidos libres, recordar que la Timina es reemplazada por Uracilo en el ARN. Maduración o procesamiento de ARNm Una vez que la ARNpol II se encuentra con la secuencia de término de la transcripción, se detendrá la síntesis de ARNm y la hebra simple quedará libre en el núcleo. Esta hebra, si bien contiene la información de un gen, no posee aún las características estructurales necesarias para poder ser traducida en una proteína. Por lo tanto, requerirá ser sometida a una secuencia de modificaciones, cada una con una funcionalidad específica. Como sabemos, las moléculas de ADN y ARN pueden ser encontradas por ejemplo en bacterias, organismos que pueden llegar a representar un riesgo para organismos eucariontes como nosotros, por lo tanto existen mecanismos en las células que discriminan entre las moléculas propias y las ajenas en donde las ajenas una vez son identificadas, son eliminadas. Las bacterias poseen un mecanismo diferente de transcripción, ya que, al no poseer un núcleo definido y separado por una membrana, el ADN se encuentra en el citoplasma y a medida que es transcrito en ARNm es traducido a proteína inmediatamente. Los organismos eucariontes como nosotros, aprovechan esta característica para diferenciar su ARNm de ARNm ajenos, agregando, en el comienzo de la transcripción, cuando la hebra de ARNm tiene una longitud de unas 20 bases, un nucleótido modificado al extremo 5 de la hebra de ARN, este nucleótido modificado corresponde a la 7-metil guanina y recibe el nombre de extremo CAP (Fig. 4.a). Este CAP protege al ARNm de ser degradado por la célula y además es necesario para la unión con el ribosoma a nivel de citoplasma, esta modificación preliminar constituye el primer procesamiento del ARN. 5

6 La segunda modificación se realiza cuando el ARNm se encuentra completamente sintetizado y libre dentro del núcleo, la modificación consiste en una cola que se añade en el extremo 3 de la hebra y consiste en una repetición de hasta 200 nucleótidos de adenina, recibiendo por lo tanto el nombre cola poli-a. Esta cola sirve de señal para que la célula transporte el ARN maduro al citoplasma para comenzar el proceso de traducción. Esta síntesis es responsabilidad de otra enzima, la ARN poli-a polimerasa. Por último, otro procesamiento necesario para que el ARNm alcance la categoría de maduro, es el corte de intrones y empalme de exones o Splicing. Recordemos que no toda la secuencia que compone un gen sirve para ser traducida en una proteína funcional, ya que, intercaladas entre las secuencias útiles o exones, se encuentran los intrones que deben ser cortados y eliminados, con el fin de unir los exones y generar un mensaje funcional (Fig. 4). Figura 4. Las tres modificaciones que sufre el ARNm en el proceso de maduración. (a) Adhesión del CAP al extremo 5. (b) Síntesis de la cola poli-a. (c) Corte de intrones y empalme de exones o Splicing. Al final de la secuencia se muestra un ARNm maduro con las siguientes características: Protección frente a la degradación y zona de unión al ribosoma, una señal de exportación hacia el citoplasma y una secuencia capaz de comandar la síntesis de una proteína funcional. 6

7 Splicing alternativo Décadas atrás existía la idea de que la relación entre genes y proteína seguía una proporción 1:1, es decir, a cada proteína de un organismo le correspondía un gen que la codificaba, sin embargo, al comparar la cantidad de genes presentes en los genomas de organismos eucariontes con el número de proteínas distintas que éstos presentaban, éstas exceden al número de genes del genoma, por lo tanto se invalida la teoría de 1 gen = 1 proteína. Este fenómeno es responsabilidad del Splicing alternativo en donde se presentan variantes en el procesamiento ARNm inmaduro, ya sea utilizando una secuencia diferente como promotor, colocando la cola poli-a en una ubicación distinta o reteniendo intrones o eliminando exones de la hebra, que generaran en última instancia un cambio en la secuencia de tripletes o codones del ARNm maduro y por lo tanto una proteína distinta en cada una de las variantes del Splicing, permitiendo un mayor almacenaje de información para la misma longitud de una secuencia de ADN. 7

8 Prepárate para la PSU! Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer atentamente: 1. Una de las principales diferencias entre el ADN y ARN son, excepto: A) La azúcar desoxirribosa y ribosa B) El timina y la uracilo C) El Ion fosfato y el anión monofosfato D) La hélice doble y simple E) N/A 2. De los procesos de duplicación del ADN y de transcripción del mismo resultan A) Moléculas de ADN, en ambos casos. B) Moléculas de ARN, en ambos casos. C) ADN y ARN, respectivamente. D) ARN y ADN, respectivamente. E) Ninguna de las anteriores. 3. Las siguientes características del ARN permiten suponer que sea la molécula hereditaria primera en aparecer dentro del ambiente primitivo: I. Su capacidad de autorreplicación. II. Su acción de molde para la síntesis de ADN (transcripción inversa). III. La diferenciación de los ARN favorable para la síntesis proteica. IV. Su actividad enzimática. A) I y II B) II y IV C) I, III y IV D) II, III y IV E) I, II, III y IV 8

9 4. En relación al proceso de síntesis de ácidos nucleicos es correcto afirmar que: I. En eucariontes el ARNr se sintetiza en el citosol. II. Procesos que son ejemplos de ello en la transcripción y la traducción. III. En eucariontes, la síntesis de ARNm va seguida de modificaciones postranscripcionales. IV. Ocurre preferentemente en al aparato de Golgi. A) Sólo I B) Sólo III C) I y IV D) II y III E) I, III y IV 5. Cuál de las siguientes moléculas sería útil administrar marcada radiactivamente si se quiere estudiar la síntesis tanto de ADN como de ARN en una célula? A) Ribosa B) Desoxirribosa C) Uracilo D) Adenina E) Timina 6. Si durante la transcripción se incorpora a un cultivo celular adenina marcada radiactivamente, entonces la marca aparecerá en I. Los ribosomas II. El ARNm III. La proteína formada. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) I y II E) I, II y III 7. A partir de la siguiente secuencia de ADN molde: 3 ACG GTA TCA 5 Cuál sería la secuencia del ARN de transferencia (ARNt) resultante de su transcripción? A) 5 ACG GTA TCA 3 B) 5 ACT ATG GCA 3 C) 5 UGC CAU AGU 3 D) 5 UGA UAC CGU 3 E) 5 ACG GUA UCA 3 9

10 8. Durante la replicación del DNA, la enzima que polimeriza la nueva hebra de ADN es: A) Helicasa B) ADN pol. I C) ADN pol. II D) ADN pol. III E) Girasas 9. Es correcto afirmar que: A) La Timina se une con la Guanina B) La síntesis de proteínas ocurre exclusivamente en el núcleo C) La replicación del ADN es conservativa D) En la maduración los exones se conservan en el ARNm E) Watson describe la molécula de ADN a través de la reflexión de los rayos X 10. Si un aminoácido está codificado en el ADN por el triplete ATG, Cuál es el anticodón del ARNt que lo transporta en el citosol? A) ATG B) TAC C) AUG D) UAC E) ATC 10