3.1.4 Expresión de la información genética: transcripción y traducción. El código genético.

El ADN contiene información para que los aminoácidos se unan y formen las proteínas. Sin embargo, dado que la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas (situados en el citoplasma) y que el ADN se halla en el núcleo, del que no sale, se hace necesaria la existencia de alguna molécula que actúe como intermediario entre el ADN y los ribosomas. Este papel de intermediario lo realiza un tipo de ARN, el ARN mensajero (ARNm). El proceso de formación de los ARN se denomina transcripción. 

Con la información contenida en la molécula de ARNm se puede sintetizar una cadena polipeptídica en un proceso denominado traducción que ocurre en los ribosomas. En este proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico (ARNr), componente fundamental de los ribosomas, y el ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.

El flujo de información genética se puede expresar de la siguiente manera:

Este esquema fue considerado durante muchos años el "dogma central de la biología molecular", que postuló en 1970, Francis Crick.

Por supuesto, todo este trasvase de información se produce gracias a la naturaleza química de los ácidos nucleicos. Debido a la complementariedad de las bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir a ARNm, que se va a traducir por medio de los ARNt y ARNr, también gracias a la complementariedad de las bases.

En la actualidad, esta forma de expresarlo ha tenido que ser modificada, debido a los mecanismos de replicación que presentan varios virus:

a) Algunos virus que almacenan su información genética en forma de ARN poseen una enzima, la ARN replicasa, capaz de fabricar copias de este ARN.

b) Los retrovirus almacenan su información genética en una molécula de ARN. Emplean una enzima, la transcriptasa inversa, que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN. El proceso recibe el nombre de retrotranscripción o transcripción inversa. 

Tras el descubrimiento del comportamiento de estos virus, el dogma central de la biología molecular hubo de ser redefinido:

TRANSCRIPCIÓN

La síntesis del ARN o transcripción ocurre en el interior del núcleo. Como requisitos previos necesita:

a) Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas de nucleótidos que forman el gen, solo una, la denominada molde, se transcribe realmente, mientras que la otra, llamada informativa, no lo hace.

b) Enzimas. El proceso está catalizado por las ARN-polimerasas. En los procariontes solo existe una, mientras que en los eucariontes existen tres, llamadas ARN-polimerasas I, II y III: la I interviene en la formación del ARNr, la II lo hace en la síntesis de todos los ARNm y la III en la del ARNt y de un ARNr de pequeño tamaño.

c) Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U. Se unen mediante un enlace éster entre el ácido fosfórico situado en la posición 5' de un ribonucleótido trifosfato y el grupo -OH situado en posición 3' del último ribonucleótido de la cadena de ARN en formación.

El proceso de la transcripción

La transcripción consta de tres etapas: la iniciación, la elongación y la terminación. Tras ella se produce la maduración del ARN.

• Iniciación

Comienza cuando la ARN-polimerasa reconoce en el ADN que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso. Tales señales, denominadas centros promotores, son unas determinadas secuencias cortas de bases nitrogenadas a las que se une la ARN-polimerasa.

La ARN-polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra para permitir que quede expuesta la secuencia de bases del ADN y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir.

• Elongación

Es la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN-polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN "leyéndola" en sentido 3'--5', mientras que el sentido de síntesis del ARN es 5'--3'. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la de la cadena de ADN que actúa como molde y lo une, mediante un enlace éster, al siguiente nucleótido, desprendiéndose un grupo pirofosfato (PPi).

En los eucariontes, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade en el extremo 5' una "caperuza" formada por metil-guanosín-fosfato, que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura.

• Terminación

La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación de la ARN-polimerasa del ARN transcrito.

- En los procariontes, la señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica (secuencias que tienen la misma lectura de izquierda a derecha y de derecha a izquierda) formada por G y C seguidas de varias T, que origina al final del ARN un bucle. Este favorece su separación del ADN. El bucle se forma por autocomplementariedad de las bases G y C situadas en la cola del ARN.

- En los eucariontes, la ARN-polimerasa transcribe regiones de ADN largas, que exceden la longitud de la secuencia que codifica la proteína. En ciertos puntos, una enzima corta el fragmento de ARN que lleva la información para sintetizar la proteína del ARN que sigue transcribiéndose. La señal de corte es una secuencia (AAUAA) que aparece sobre el ARN unos pocos nucleótidos antes del punto de corte, además de otras secuencias mal conocidas. Con posterioridad a la separación del ARN, una enzima (poli-A polimerasa) añade en el extremo final 3' una secuencia formada por unos 200 nucleótidos de adenina, llamada cola poli-A, que al parecer interviene en los procesos de maduración y transporte del ARN fuera del núcleo.

A veces, los ARNm no se pueden traducir directamente en proteínas, sino que necesitan un  procesamiento previo o maduración postranscripcional.

Organismos procariontes

El ARNm de los procariontes puede ser directamente traducido ya partir de él se forma una proteína funcional. No se puede hablar, por tanto, de una maduración de los mensajeros en estos organismos.

Organismos eucariontes

En los eucariontes la maduración es más compleja, ya que la mayor parte de los genes que codifican las proteínas están fragmentados. Cada gen consta de varios fragmentos denominados intrones y exones, intercalados unos con otros.

. Los intrones son secuencias de bases más o menos largas que se transcriben, pero que no se traducen, es decir, no codifican una secuencia de aminoácidos.

. Los exones son las secuencias que se transcriben y se traducen, es decir, tienen información para formar una cadena polipeptídica.

Así pues, el ARN transcrito primario está formado por intrones y por exones. Su maduración consiste en la eliminación de los primeros y la unión de los segundos mediante un mecanismo que se conoce con el nombre de splicing (del inglés, "empalme"). Requiere la presencia de una enzima llamada ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). El proceso de splicing comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que provocan el acercamiento de los extremos de los exones y continúa con el corte de los intrones y la unión de los exones, para formar un ARNm que ya está en condiciones de salir del núcleo.

Los intrones no existen en procariontes y no se sabe qué función cumplen en los eucariontes. Lo que sí se sabe es que, a veces, un mismo gen puede madurar de diferentes maneras, dependiendo de cómo se eliminen los intrones. De este modo, a partir de un solo gen se pueden obtener diferentes proteínas.

Actualmente se piensa que los genes del primitivo antecesor común a procariotas y eucariotas debían de tener intrones. Las bacterias los habrían perdido por selección natural, pues para ellas es crucial dividirse rápidamente. Se habrían conservado en las eucariotas porque presentan ventajas evolutivas. Las levaduras, que son eucariotas con un modo de vida similar al de muchas bacterias, no presentan intrones; sin embargo, las mitocondrias, que se cree descienden de bacterias endosimbiontes, sí tienen intrones en su ADN, pues no están sometidas a la misma presión.

EL CODIGO GENÉTICO

Una vez obtenida una copia del mensaje genético en forma de cadena de ARNm, ésta dirige la síntesis de proteínas en los ribosomas. Para ello, estos orgánulos interpretan la secuencia concreta de nucleótidos existente en la molécula de ARNm como la información necesaria para la unión de los aminoácidos precisos para constituir la proteína específica.

Consiste, pues, en una equivalencia entre dos polímeros específicos. Uno de ellos, el ARN, tiene dispuestas sus bases nitrogenadas en una secuencia concreta que contiene la información que determina el orden en que han de engancharse los sucesivos aminoácidos que forman la cadena polipeptídica. Por tanto, los ARNm con secuencias de bases nitrogenadas distintas llevan información para la síntesis de proteínas diferentes.

El código genético es, en definitiva, la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Como sólo hay cuatro bases nitrogenadas distintas, las señales codificadoras para los 20 aminoácidos proteicos deben estar constituidas por más de una base. Si cada señal estuviera formada por dos bases nitrogenadas, sólo codificarían 4² = 16 aminoácidos, por la que aún quedarían aminoácidos sin codificar. Por tanto, cada señal que codifica para un aminoácido está constituida por tres bases nitrogenadas consecutivas (un triplete), es decir, 4³ = 64 tripletes de bases distintas. George Gamow, creador de la teoría del big-bang sobre el origen del universo, fue el primero en formular este razonamiento teórico.

Los tripletes de bases del ARNm reciben el nombre de codones. Los tripletes del ADN correspondientes, que hallan sido transcritos, se denominan codógenos. Existen 61 codones codificadores de aminoácidos y 3 (UAA, UAG y UGA, llamados sin sentido) que señalan el final del mensaje y no especifican ningún aminoácido. Hay también un codón (AUG) que, además de codificar para el aminoácido metionina, es la señal de comienzo.

Este código genético presenta unas características que ayudan al cumplimiento de su función:

- Es universal. El código es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus; así, por ejemplo, el codón UUG codifica para el aminoácido leucina tanto en los procariontes como en los eucariontes, lo mismo que ocurre con todos los codones. Este hecho indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo.

Gracias a la genética molecular, recientemente se ha descubierto que esta universalidad tiene excepciones: concretamente, las mitocondrias y algunos protozoos, como Tetrahymena, utilizan un código genético ligeramente diferente.

- Es degenerado. Este término indica que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón.

Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja, ya que en el caso de que se produzcan cambios en algún nucleótido, es decir, que haya mutaciones, no se tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman una proteína.

- No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido; lo contrario conllevaría problemas considerables, pues a partir de un gen se sintetizarían proteínas diferentes.

- Carece de solapamiento. Los tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin que entre ellos existan comas ni espacios y sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5'®3'), desde el codón que indica el comienzo de la proteína hasta el que indica su final. Sin embargo, existe la posibilidad de que un mismo ARNm contenga varios codones de iniciación. Esto significaría que se podrían realizar varias fases de lectura y se sintetizaría más de un polipéptido.

TRADUCCIÓN O BIOSÍNTESIS DE PROTEINAS

La traducción es la transformación del mensaje de ARN en la síntesis de las proteínas correspondientes. Para que se produzca la traducción, se necesitan:

- ARNm.

- Los 20 aminoácidos.

- ARNt correspondientes a los 20 aminoácidos.

- Enzimas, factores proteicos y energía (GTP).

- Ribosomas. Los ribosomas son muy semejantes en organismos procarióticos y eucarióticos. Cada ribosoma tiene un sitio de unión al ARNm y tres sitios de unión al ARNt, el sitio A (aminoacil), el sitio P (peptidil) y el sitio E (salida=exit). Están formados por dos subunidades compuestas de moléculas de ARNr y muchas proteínas. La subunidad pequeña se une al ARNm y a los ARNt, y la subunidad grande es la encargada de formar el enlace peptídico entre los aminoácidos contiguos gracias a la enzima peptidil-sintetasa que contiene.

Activación de los aminoácidos

Los tripletes del ARN no reconocen directamente a los aminoácidos que especifican. La traducción del mensaje depende de la presencia de moléculas de ARNt que sean capaces de realizar ambos reconocimientos: en un extremo llevan unido el aminoácido, y el anticodón del brazo central es complementario al codón del aminoácido.

Cada aminoácido se activa por su aminoacil-ARNt-sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas distintas, una para cada aminoácido

Aminoácido + ATP + ARNt     ——›   aminoacil ARNt + AMP + PPi

­

Aminoacil-ARNt-sintetas

Esta reacción es imprescindible para la síntesis de proteínas

Fases de la síntesis proteica

La traducción o síntesis de proteínas tiene tres fases:

a) Iniciación: En esta fase la subunidad pequeña del ribosoma se une al extremo 5' del ARNm, colocándose el codón de iniciación (AUG) a la altura del sitio P, que es precisamente ocupado por el aminoacil-ARNt complementario (UAC), que porta el aminoácido Met (metionina) en eucariontes y el formilMet (formilmetionina) en procariontes (aminoácidos que normalmente se separarán una vez completada la síntesis del polipéptido). El conjunto de la subunidad ribosómica, el ARNm y el ARNt forma el complejo iniciador. A continuación, la subunidad mayor del ribosoma se une al complejo. Esta fase está catalizada por proteínas denominadas factores de iniciación (IF).

b) Elongación, que podemos dividir a su vez en tres subfases:

1. El siguiente codón del ARNm está expuesto a la altura del sitio A, lo que hace que allí también se coloque el aminoacil-ARNt correspondiente.

2. Una enzima, la peptidil transferasa, cataliza el mecanismo por el que el aminoácido situado en P se separa de su ARNt y se une con un enlace peptídico al aminoácido incorporado en A.

3. Al tiempo que el aminoacil-ARNt en sitio A (ahora con dos aminoácidos) es desplazado hacia el sitio P, de donde es expulsado el ARNt (ya sin aminoácido) que allí estaba, el ribosoma avanza exactamente tres nucleótidos a lo largo del ARNm, dejando un nuevo codón expuesto en el sitio A, permitiendo así que el ciclo comience de nuevo.   Diferentes factores de elongación (EF) actúan como catalizadores en esta fase.

c) Terminación: Tiene lugar cuando en el sitio A se expone un codón de terminación para el que no existe ningún ARNt complementario. Lo que sí se sitúa en el sitio A va a ser un factor de separación (RF) que cataliza la separación del polipéptido. A continuación se separa el ARNm, así como las dos subunidades del ribosoma.

La síntesis completa de una proteína tarda entre veinte y sesenta segundos, pero lo más importante es que la traducción de un determinado ARNm implica la participación de numerosos ribosomas actuando simultáneamente, aunque en diferentes puntos del ARNm. Esto es, una vez que el primer ribosoma se aleja unos ochenta nucleótidos del codón de iniciación, un nuevo ribosoma inicia la traducción, y así sucesivamente, dando lugar a  una estructura conocida como polirribosoma o, simplemente, polisoma, consistente en una hebra de ARNm unida a numerosos ribosomas como si de un collar se tratase.

Esquema de la traducción.

Iniciación.

Diferencias de la traducción entre procariontes y eucariontes

El proceso es prácticamente igual en ambos casos, pero presenta algunas diferencias dignas de mención:

- el primer aminoácido, como sé ha mencionado, es Met en eucariontes y formal-Met en procariontes;

- en eucariontes la transcripción y la traducción se llevan a cabo en espacios separados y, por tanto, de forma independiente, mientras que en procariontes la traducción puede comenzar cuando aún no haya acabado la transcripción;

- los diversos tipos de factores son diferentes.

REGULACION DE LA EXPRESIÓN GENICA