Ácidos nucleicos 3ª y 4ª Parte: Transcripción y traducción I & II Tema 12 de Biología NS Diploma BI Curso 2012-2014
Expresión de la información genética Ya se ha visto cómo la información genética se conserva y pasa de una célula a su descendencia. Los genes de ADN tienen escasa acción directa sobre el funcionamiento del organismo, son las proteínas las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada organismo sus peculiaridades. Por tanto, debe existir algún mecanismo que haga posible que los genes expresen su información para que se formen la proteínas. El flujo de la información genética fluye del ADN al ARNm (transcripción) y desde éste a las proteínas (traducción).
Proceso de transcripción Concepto: Proceso que consiste en copiar una parte del mensaje genético desde su forma original (ADN) a otra (ARN) que se pueda utilizar directamente para la síntesis de proteínas específicas. En este proceso se forma una cadena de ARN cuya secuencia de bases nitrogenadas es la misma que la de una de las hebras de la doble hélice de ADN (cambiando la T por U), denominada cadena sentido (codificante) y que no se transcribe. La otra cadena de ADN se denomina cadena antisentido (molde) y es la que se transcribe. La enzima que cataliza el proceso de transcripción se denomina ARN polimerasa. Cadena sentido Cadena antisentido (molde)
ARN polimerasa La ARN polimerasa presenta las siguientes características: - Se fija a regiones específicas del ADN (promotores) que ni se transcriben ni se traducen, pero que indican el punto de comienzo de la trancripción. - Ella misma abre y desenrrolla la doble hélice sin necesidad de la intervención de enzimas helicasas. - A diferencia de la ADN polimerasa, no necesita un cebador o primer para inicar la transcripción. - Utiliza como sustratos ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U. - Une ribonucleótidos monofosfato mediante enlace fosfodiester, siempre en sentido 5-3 (el extremo 5 del ribonucleótido libre se une al extremo 3 de la molécula de ARN que ya ha sido sintetizada). - Utiliza una de las cadenas de ADN, la antisentido, como molde.
Transcripción en procariotas Existe una única ARN polimerasa que fabrica los tres tipos de ARN (mensajero, ribosómico y transferente). Está formada por dos subunidades alfa, una beta y una beta. Para reconocer la secuencia promotora, donde se fija y comienza la transcripción, se une al factor sigma, que le provoca un cambio de conformación capaz de reconocer estas secuencias promotoras. El promotor se encuentra en la cadena sentido e indica dónde debe comenzar la transcripción y qué hebra actúa como molde.
Transcripción en procariotas La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa llega a una zona del ADN (señal de terminación) donde se une al factor rho. El ARNm producido se utiliza directamente para la síntesis de proteínas. De hecho, la traducción comienza antes de que acabe la transcripción. Los ARNr y ARNt sufren un proceso de maduración para ser funcionales.
Esquema general de la transcripción Web Whfreeman (no se necesitan helicasas) Video1
Transcripción en eucariotas Es más complejo el proceso e intervienen diversos factores proteicos. Además, existen tres ARN polimerasas, cada una formada por varias subunidades: - ARN polimerasa I: Se encuentra en el nucleolo y transcribe los genes que originan 3 de los 4 ARNr. - ARN polimerasa II: Se encuentra en el nucleoplasma y transcribe los genes que originan los ARNm. - ARN polimerasa III: Se encuentra en el nucleoplasma y transcribe los genes que originan el cuarto de los ARNr. Las secuencias promotoras, ricas en A y T (cajas TATA), indican el lugar de comienzo de la transcripción en la cadena sentido, y al igual que en procariotas, se necesitan una serie de factores basales de la transcripción.
Transcripción en eucariotas Al ARNm que se está transcribiendo, se le añade en el extremo 5 un capuchón de metil guanosina trifosfato, que sirve para evitar la inmediata degradación del ARNm por las nucleasas del núcleo, y además es reconocida por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción. Cuando ha terminado la transcripción, se le añade en el extremo 3 unos 200 nucleótidos de adenina (cola poli-a), cuya función es la de intervenir en el proceso de maduración y transporte del ARNm fuera del núcleo. En eucariotas es necesaria la maduración de los tres tipos de ARN.
Maduración del ARNm en eucariotas El ARN eucariotico precisa de la eliminación de intrones para formar el ARNm maduro. El ARNm recien sintetizado (transcrito primario) no es funcional, al contener intrones intercalados entre los exones. El proceso de maduración (splicing) consiste en la eliminación de intrones por las enzimas ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPpn) y la unión de los exones por las enzimas ARN ligasas. Animación2
Maduración del ARNm en eucariotas No siempre se une cada exón con su exón anterior en la secuencia, sino que en ocasiones, se pueden dar mecanismos distintos de corte y empalme a partir de un mismo ARNm transcrito primario, lo que origina cadenas de ARNm con secuencias distintas. Esto significa que un mismo gen eucariota que contienen varios exones puede dar lugar a proteínas diferentes según el orden en el que se unan los exones durante la maduración. En el pasado se supuso que un gen siempre codificaba un mismo polipéptido, aunque con el tiempo se han descubierto muchas excepciones, provocando un cambio de paradigma (TdC).
Esquema general de la transcripción en eucariotas Animación3
El código genético Concepto: Relación existente entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Como sólo hay 4 bases nitrogenadas, mientras que hay 20 aminoácidos, cuál es la correspondencia entre ambos? 1 base = 1 Aa, entonces sólo se producen 4 Aa distintos 2 bases = 1 Aa, entonces 4 2 = 16 Aa ditintos 3 bases = 1 Aa, entonces 4 3 = 64 Aa ditintos (más que suficientes) Cada triplete de bases en el ARNm que codifica a un determinado aminoácido se denomina codón. Cada codón se aparerá durante la síntesis de proteínas con tres bases complementarias del ARNt denominadas anticodón.
Características del código genético 1. Universal. Es el mismo código para todas las células de todas las especies (incluso virus). Este hecho, constituye una prueba más a favor del origen de todos los seres vivos a partir de un ancestro común. Se han descubierto algunas excepciones en mitocondrias, algunos protistas ciliados y micoplasmas.
Características del código genético 2. Degenerado. No existe el mismo número de codones (64 tripletes posibles) que de aminoácidos (20 posibles). Esto significa que salvo la metionina y el triptófano, codificados por un sólo triplete, el resto de Aa está codificado por más de uno. -Aa con 2 ó más posibles tripletes, sólo difieren en la última letra. - Esto reduce 1/3 el efecto de posibles mutaciones, ya que sólo si ocurre en las dos primeras bases tendrá efecto.
Características del código genético 3. Carece de solapamiento. Los codones se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas. 4. No hay ambigüedad. Ningún triplete codifica para más de un aminoácido, es decir, cada codón solo codifica para un aminoácido. 5. Inicio y fin de mensaje. El triplete AUG (metionina) indica el comienzo de la traducción, mientras que 3 posibles triplestes (UAA, UAG, y UGA) indican su final.
Traducción Consta de 4 etapas: inicio, elongación, translocación y terminación. Animación4
Traducción en procariotas: Papel del ARNt La composición de un Aa y la de un codón de ARNm no tienen ningún parecido. Se necesita por tanto una molécula que por un lado lleve el Aa al ribosoma, y que por otro lado, reconozca a los codones del ARNm, es decir, moléculas que hablen los dos idiomas. Los ARNt llevan al Aa en su brazo aceptor de Aa y, en el otro lado, en su brazo anticodón, llevan las tres bases complementarias al codón del ARNm.
Traducción en procariotas: Estructura del ribosoma La composición de los ribosomas consta de proteínas y ARNr, y su estructura de dos subunidades, una mayor y otra menor. 80S 70S
Traducción en procariotas: Estructura del ribosoma Los ribosomas poseen tres sitios de unión al ARNt en su subunidad mayor: El sitio aminoacil (A), donde se forman los enlaces peptídicos durante la traducción, el sitio peptidil (P) donde se va colocando el ARNt que lleva al péptido en formación, y el sitio de salida (E) de los ARNt. Los ribosomas presentan un sitio de unión al ARNm en su subunidad menor.
Traducción en procariotas: Activación de aminoácidos Antes de que se inicie la síntesis de las proteínas, es necesario que los distintos Aa que van a ser unidos se activen. Esta fase ocurre en el citoplasma, fuera del ribosoma. Cada Aa se une a su ARNt por acción de las enzimas aminoacil-arntsintetasas. El proceso ocurre en dos pasos: 1. Formación del complejo Aa-AMP, con gasto de 1 molécula de ATP:
Traducción en procariotas: Activación de aminoácidos 2. Transferencia del Aa a su ARNt correspondiente (se une por su grupo carboxilo al extremo 3 del ARNt).
Traducción en procariotas: Iniciación 1. Unión del ARNm por su extremo 5 a la subunidad menor del ribosoma, gracias a un factor proteico de iniciación IF3. 2. Unión del primer aminoacil-arnt por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias del anticodón del ARNt y las del codón del ARNm (sitio P). El primer codón (de iniciación) es siempre 5 AUG 3, por lo que el Aa que lleva el primer ARNt es formil metionina. En la unión entre el ARNt y el ARNm interviene otro factor de iniciación IF2. 3. Por último, se produce el acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma, para lo que se necesita otro factor de iniciación IF1. El proceso de iniciación requiere energía, que se obtiene por la hidrólisis del GTP.
Traducción en procariotas: Elongación En esta etapa la cadena polipeptídica se sintetiza por la unión de los sucesivos Aa que se van situando en el ribosoma, transportandos por los correspondientesd ARNt. Para ello es necesario el desplazamiento del ribosoma a lo largo de la cadena del ARNm. 1. Unión de un aminoacil-arnt al sitio A. En esta etapa se gasta otro GTP y se necesitan dos factores de elongación EF.
Traducción en procariotas: Elongación 2. Formación del enlace peptídico. Se produce la unión entre los dos Aa por acción de la peptidil transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma. Queda libre el ARNt del primer Aa, que se libera del ribosoma.
Traducción en procariotas: Translocación Translocación del dipéptido al sitio P. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5-3, con lo que el segundo codón, con el ARNt fijado a él, pasa al sitio P, quedando libre el sitio A, que es ocupado por el tercer codón del ARNm. Sobre este condón se fija un nuevo aminoacil ARNt, con la participación de otro factor de elongación EF. En la fijación de cada nuevo ARNt, se utiliza la energía aportada por el GTP.
Traducción en procariotas: Terminación Existen 3 codones de fin de mensaje o de terminación (UAA, UAG y UGA) en el ARNm para los que no hay ARNt con los correspondientes anticocodones. Cuando uno de ellos llega al sitio A del ribosoma, los llamados factores de liberación hacen que el enzima peptidil transferasa libere el péptido del ARNt al que está unido, al hacer que reaccione el grupo carboxilo del último Aa con agua, con gasto de otro GTP. Animación5
Traducción en procariotas: Terminación La cadena proteica a medida que se va sintetizando (1400 Aa/minuto), va adquiriendo su estructura secundaria y terciaria característica. Las cadenas de ARNm suelen ser leídas por más de un ribosoma simultáneamente (polirribosomas o polisomas), con lo que se forman muchas proteínas a la vez.
Esquema general de la traducción en procariotas Web Whfreeman
Traducción en eucariotas Respecto a lo explicado en procariotas, se observan las siguientes diferencias: 1. La transcripción del ADN a ARNm ocurre en el núcleo, así como la maduración del ARNm transcrito primario hasta dar el ARNm maduro. La traducción ocurre en el citoplasma.
Traducción en eucariotas 2. Los ARNm son más estables que los de procariotas, tienen una mayor vida media. Además son monocistrónicos, es decir, cada molécula de ARN produce un péptido, mientras que los de procariotas suelen ser policistrónicos, donde a partir de una misma molécula de ARN se sintetizan varios péptidos. 3. El ARNm eucariota tiene en su inicio 5 un capuchón de metilguanina trifosfato, para ser identificado por la subunidad pequeña del ribosoma. 4. Los ribosomas son 80S. 5. El primer ARNt no lleva formil metionina, sino metionina, y se une antes a la subunidad pequeña del ribosoma que al ARNm. 6. Los factores de iniciación y elongación son distintos.
Traducción en eucariotas Los ribosomas ligados en el RE sintetizan proteínas fundamentalmente para su secreción o para los lisosomas. Los ribosomas libres sintetizan proteínas principalmente para su uso en el interior de la célula.
Ejercicio Dada la siguiente secuencia de ARN mensajero: a) Indique la secuencia de ADN bicatenario que sirvió de molde para este ARN mensajero, indicando cuál de las cadenas es sentido y cuál antisentido. b) Cuáles serán los anticodones de los ARN transferentes correspondientes? c) Escriba la secuencia de aminoácidos que se puede originar. d) Si la secuencia anterior pertenece a un polipéptido de 350 aa, cuántos ribonucleótidos tendrá el fragmento completo de ARNm?