La transcripción en procariotas: diferencias con eucariotas




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títuloLa transcripción en procariotas: diferencias con eucariotas
fecha de publicación18.01.2016
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Biología 2º Bachiller

TEMA 15 Trascripción y Traducción


  1. CONCEPTO MOLECULAR DEL GEN. ESTRUCTURA DE LOS GENES EN EUCARIOTAS

  1. Concepto molecular de gen

  2. Estructura de los genes en eucariota

  1. ¿CÓMO SE REPRESENTAN LOS GENES? TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN

  2. MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS

  1. LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS

  1. EL CÓDIGO GENÉTICO

  2. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO

  3. MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

  4. REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN.

    1. Regulación de la actuación del operón LAC en la bacteria Escherichia coli.

    2. Los operones reprimibles.

  5. Regulación de la expresión génica en los eucariontes.

  6. La regulación hormonal.




  1. CONCEPTO MOLECULAR DEL GEN. ESTRUCTURA DE LOS GENES EN EUCARIOTAS

    1. Concepto molecular de gen

La mayoría de los genes son fragmentos de la molécula de ADN que determinan la síntesis de una proteína, otros realizan funciones reguladoras.


    1. Estructura de los genes en eucariotas.

La estructura de los genes en eucariotas es compleja. La secuencia de nucleótidos que constituye un gen, y los propios genes entre sí, no se disponen linealmente en los cromosomas sino espaciados por fragmentos de ADN que no poseen información que pueda ser transcrita. En todo gen, además, distinguiremos las siguientes regiones:

- La región promotora o promotor (P)

- La región codificadora (C)

- La región terminadora o terminador (T)



  1. La región promotora es una porción del ADN situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aminoácido, sirve para que las enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen.

  2. La región codificadora es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. En la región codificadora van a existir fragmentos de ADN que no contienen información: los intrones, y fragmentos que sí que contienen información: los exones. Considerando la hebra 5'->3', el principio de esta región viene marcado por la secuencia de bases nitrogenadas ATG y el final por una de estas tres tripletas: TAA, TAG, TGA; tripletas que se denominan de paro, sin sentido o secuencias stop.

  3. La región terminadora. Marca el final del gen.




  1. TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN. (Pag. 248, 249 y 250)

El ADN se encuentra en el núcleo celular y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma, en el hialoplasma concretamente.

Es por esto que la información contenida en la estructura primaria del ADN debe transcribirse a una molécula de ARN denominada ARN mensajero (ARNm). También se sintetizan en el núcleo el ARNr y el ARNt, necesarios para la síntesis proteica.

Los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la transcripción de la información genética.

  1. MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS.

Destaquemos, en primer lugar, que para cada gen, sólo una de las cadenas, de las dos que posee el ADN, se transcribe. El mecanismo se realiza de la siguiente manera:



  1. Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN

  2. Alargamiento o elongacion: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5'3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-GTP en el extremo 5'. Esta cabeza parece tener una función protectora para que las enzimas exonucleasas que destruyen los ARN no lo ataquen. Una vez que esto ha ocurrido, continúa la síntesis del ARN en dirección 5´3´




  1. Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen, finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poliA-polimerasa añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN, llamado ahora ARNm precursor, se libera.



  1. Maduración: El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN-ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro.



Todo esto se ha producido en el núcleo celular. El ARNm maduro, que a partir de ahora será simplemente el ARNm o, también, el transcrito, pasará al hialoplasma donde su información servirá para la síntesis de una proteína concreta. Esto es, la información que se encuentra en forma de una cadena de nucleótidos se traducirá a una cadena de aminoácidos.

http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/mrnasplicing/index.htm


    1. LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS.

      1. En los procariotas el ARNm no tiene ni caperuza ni cola.

      2. Tampoco tiene intrones y por lo tanto no requiere de un mecanismo de maduración.

      3. Al mismo tiempo que el ARNm se transcribe se está ya traduciendo.

      4. Los genes son policistrónicos, esto es, un ARNm contienen información para varias proteínas.

http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/transcription/index.htm


  1. EL CÓDIGO GENÉTICO. (Pag 251)

El ARNm tiene una estructura primaria complementaria de una de las cadenas del ADN. Esta disposición de las bases nitrogenadas en el ARNm es la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína.

CRICK demostró que los aminoácidos en las proteínas van a estar codificados por secuencias de tres bases nitrogenadas consecutivas de las cadenas de ARNm, a partir de la secuencia de iniciación AUG, complementaria de la secuencia de iniciación TAC del ADN. Cada una de estas secuencias de tres bases se llaman tripletas o codones.

Debe de tenerse en cuenta que, al haber en las proteínas 20 aminoácidos distintos, una o dos bases no serían suficientes para codificarlos. Al tener los ácidos nucleicos cuatro bases diferentes (la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo), que representaremos por A, G, C y U respectivamente, existirán 64 codones o combinaciones de tres bases y como solamente hay 20 aminoácidos distintos, se deduce, que varias tripletas codificarán un mismo aminoácido.

Este código, que relaciona la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas, recibe el nombre de código genético.




http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Codigo/Codigo%20genetico.htm


  1. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO. (Pag 252)

  1. El código genético es universal. Todos los seres vivos lo emplean; con ciertas excepciones, por ejemplo, el de las mitocondrias, que tiene algunas diferencias.

  2. Se trata de un código degenerado pues el número de tripletas (64) es superior al de aminoácidos existentes en las proteínas (20).

  3. Existen tres tripletas que no codifican ningún aminoácido, son las tripletas " sin sentido", de "paro" o " stop". Estas tripletas marcan el final de la región a traducir, esto es, el final de la molécula proteica.

  4. La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aminoácido metionina. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por la metionina. Ahora bien, posteriormente, esta metionina que ocupa la posición inicial puede ser eliminada.

* Mirar las que vienen en el libro pagina 252

  1. MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. (Pag 253, 254 y 255)


http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Traduccion/traduccion.htm
Consiste en la síntesis de una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. Se trata de un proceso que se produce en el hialoplasma. Consta de las siguientes fases:

  1. Activación de los aminoácidos: La formación del enlace peptídico es un proceso endergónico. Para que pueda realizarse, los aminoácidos (aa) deben de ser activados, activación que se realiza por medio del GTP según la siguiente ecuación:

aa + GTP  aa-GMP + PPi

Los aminoácidos activados se unen a una molécula de ARNt (ARN de transferencia).

Estos polinucleótidos poseen en su estructura una secuencia de tres bases, el anticodón, complementaria de los correspondientes codones o tripletas del ARNm. Cada aminoácido se une, por lo tanto, a un ARNt específico, que será aquel que lleve el anticodón correspondiente.


  1. Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta que al llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína. Se les une el complejo formado por el ARNt-metionina. La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta el aminoácido. Por último, se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma.

  2. Elongación. Consta de los siguientes pasos:

    1. El complejo ARNt-aminoácido 2 (ARNt-aa2) se sitúa enfrente del codón correspondiente. La región del ribosoma en la que se une se le llama región aminoacil (A).

    2. Se forma el enlace peptídico y la metionina se une al segundo aminoácido (aa2).

    3. El ARNm se traslada como la cinta de una máquina de escribir y el complejo ARNt2-aa2-met queda situado en la región peptidil del ribosoma y la posición aminoacil queda libre para la entrada del complejo ARNt-aa3. El ARNt de la metionina se libera. De esta manera se van a ir añadiendo el resto de los aminoácidos que constituyen la proteína hasta llegar al codón de finalización.

  3. Finalización: Cuando el ribosoma llega al codón de finalización, uno de los codones sin sentido: UAA, UAG, UGA, la proteína se libera y las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm. La estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas se va adquiriendo según estas se van sintetizando Es de destacar, que varios ribosomas, de 4 a 6, a veces incluso 100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una cadena de ARNm. La función de los ribosomas no se conoce con exactitud, pero, podría ser, la de recibir las instrucciones genéticas y traducirlas a proteínas. Para ello es necesario que se unan al ARNm, procesen la información, incorporen los aminoácidos y los unan entre sí mediante enlaces peptídicos.




http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/translation/index.htm


  1. REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN.

Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Ahora bien, no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular. Muchos genes no actúan nunca y otros actúan sólo en determinados momentos, pudiendo permanecer durante largos periodos de tiempo inactivos. Para poder comprender el mecanismo de acción de los genes veamos a continuación estos dos modelos de regulación:
http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Operon/Operon.htm


    1. Regulación de la actuación del operón LAC en la bacteria Escherichia coli. (Pag 256)

La ß-galactosidasa es una enzima que rompe el enlace O-glicosídico entre la galactosa y la glucosa en la lactosa. Si no hay lactosa en el medio, E. coli apenas dispone de unas pocas moléculas de enzima, una o dos solamente. Sin embargo, si añadimos lactosa al medio donde se encuentra la bacteria, al cabo de unos pocos minutos los niveles de ßgalactosidasa suben hasta alcanzar las 5000 moléculas por célula, aproximadamente. Aparecen además otras dos enzimas: una permeasa que facilita la absorción de la lactosa a través de la membrana plasmática de la célula y una transacetilasa, necesaria también para el metabolismo de la lactosa.

Jacob y Monod interpretaron estos resultados planteando la hipótesis del operón. Según esta hipótesis la actividad de varios genes que codifican enzimas relacionadas entre sí, genes estructurales, sería desencadenada por la acción de un gen operador, contiguo a los genes estructurales en la molécula de ADN. El conjunto formado por los genes estructurales y el gen operador recibe el nombre de operón. Si el gen operador se encuentra libre, los genes estructurales se transcriben. A su vez, el gen operador estaría controlado por un gen regulador, que puede estar situado lejos del operón. Este gen va a sintetizar un ARNm que servirá para la síntesis de una proteína: el represor. Si el represor se encuentra activo se unirá al gen operador inhibiéndolo, con lo que los genes estructurales no se transcribirán.

El operón LAC en E. coli constaría de tres genes estructurales que codificarían respectivamente: la ß-galactosidasa (gen z), la permeasa (gen y) y la transacetilasa (gen x). Si no hay lactosa en el medio, el gen regulador se traduciría en una proteína, el represor, con dos centros activos. Por uno de ellos sería capaz de unirse al gen operador inhibiendo la síntesis de los ARNm codificados por los genes estructurales z, y, x. Por el otro centro activo podría unirse a la lactosa cuando la hubiese. La lactosa cambiaría la estructura del represor inactivándolo e impidiendo que éste pudiese unirse al gen operador. De esta manera los genes estructurales se transcribirían produciéndose la síntesis de las tres enzimas que metabolizan la lactosa en E. coli.



    1. Los operones reprimibles.

Como es el caso de la regulación de los genes responsables de los procesos de síntesis. Supongamos que la célula necesita producir una determinada cantidad de una sustancia A y que no interesa que haya un exceso de A ni que ésta falte. Supongamos también que para sintetizar A se necesitan tres enzimas: a, b y c. En estos casos, la proteína que actúa como represor del gen operador se encuentra normalmente en estado inactivo, permitiendo que los genes a, b y c se transcriban y que A se sintetice. Cuando A alcanza unos niveles elevados, se une al represor, activándolo. El represor activo se une al operador y los genes estructurales a, b y c no se transcriben. Esto hace descender la cantidad de A, con lo que el represor vuelve a estar inactivo, los genes estructurales vuelven a traducirse y vuelve a sintetizarse A. De esta manera la célula mantiene unas determinadas cantidades de A.

Como se ve, se trata de un mecanismo que funciona como un termostato, manteniendo unos niveles adecuados de una determinada sustancia, en este caso A, necesaria para la célula.



  1. Regulación de la expresión génica en los eucariontes. (Pag 257)

En eucariotas, el escenario es diferente. En primer lugar, el cromosoma eucariótico difiere en muchos aspectos del cromosoma procariótico. Además, existe una separación física entre la transcripción que sucede en el núcleo y la traducción que tiene lugar en el citoplasma. Por ello, aún siendo la transcripción el principal punto de regulación, la expresión de los genes suele estar sometida también a los distintos tipos de control postranscripcional, siendo muy importante la regulación del splicing, que puede a veces dar lugar a distintos ARNm y distintos productos a partir de un transcrito (splicing alternativo).

La regulación génica en eucariotas es mucho más compleja, especialmente en organismos pluricelulares, con complicados programas de desarrollo. Un organismo multicelular usualmente inicia su desarrollo en forma de huevo fecundado, el cigoto. El cigoto se divide repetidamente produciendo muchas células que se diferencian y cada tipo celular comienza a producir proteínas característicamente diferentes que lo distinguen de otros tipos de células. A su vez, un mismo tipo celular puede producir variantes de las proteínas que sintetiza en distintas etapas del desarrollo del organismo. Sin embargo, toda la información genética originalmente presente en el cigoto también está presente en cada célula diploide del organismo. Resulta claro que la diferenciación de las células de un organismo multicelular depende de la inactivación de ciertos grupos de genes y de la activación de otros, es decir, de una regulación de la expresión.

Muchas evidencias indican que el grado de condensación y, en general, los cambios en la estructura de la cromatina, desempeñan un papel principal en la regulación de la expresión génica en las células eucarióticas, ya que la transcripción no se puede dar en las zonas donde la cromatina está muy condensada o no accesible a la formación del complejo de transcripción, pudiendo distinguir, por lo tanto, entre una cromatina activa transcripcionalmente y una cromatina inactiva.

Otro factor que está involucrado en la regulación génica es la metilación de la citosina, que ocurre después de la replicación. La metilación diferencial de ciertos genes en ambos sexos, que ocurre durante la gametogénesis (inprinting), desempeña un papel en el desarrollo temprano del embrión.


  1. La regulación hormonal.


No todos los genes se expresan simultáneamente ni al mismo nivel.

  • Genes constitutivos: los que se expresan al mismo nivel independientemente de las condiciones ambientales.

  • Genes regulados: aquellos que se expresan a distintos niveles (o no se expresan) dependiendo de las condiciones ambientales.

Los objetivos de la regulación son:

  • Armonía estructural, equilibrio celular

  • Adaptación: típico de procariotas

  • Diferenciación: típico de eucariotas pluricelulares


Las bacterias responden muy eficientemente a cambios ambientales mediante la regulación de la expresión génica.

En bacterias, los genes con una función relacionada suelen estar agrupados en operones, el cual es un grupo de genes que se transcriben en un mismo ARNm y que, por tanto, están sujetos a una regulación transcripcional común

La iniciación de la transcripción en eucariotas requiere la participación de factores de transcripción basales que se unen al promotor, a distancias concretas del inicio.

Además existen secuencias intensificadoras o silenciadoras que pueden actuar a gran distancia y en cualquier orientación. Estas controlan la estructura de la cromatina y la tasa de transcripción. Además existen otros factores de transcripción, la mayoría activadores. La actividad de los factores de transcripción se puede controlar en el momento de su síntesis, por modificación covalente, por unión a un ligando o por unión a un inhibidor.

La respuesta a hormonas esteroideas está gobernada por elementos GRE. Estas hormonas se sintetizan en respuesta a un gran variedad de actividades neuroendocrinas y controlan crecimiento, desarrollo de tejidos y homeostasis corporal. Todas tienen un modo de acción similar: se unen a un receptor citoplásmico haciendo que este se una al ADN y active la transcripción. Ejemplo: la región reguladora del gen de la metalotioneína humana contiene elementos de respuesta en el promotor y en el potenciador

Procesamiento alternativo: a partir de un mismo transcrito primario se pueden obtener varios ARNm maduros y, por tanto, varios productos proteicos, a veces específicos de tejido. Estabilidad del ARNm: las vidas medias de diferentes ARNm son muy variables (desde minutos hasta años). Las secuencias 5' y 3' no traducidas contienen información reguladora sobre la estabilidad y la localización del ARN


Ejercicios paginas 260-261: 10, 11. 15, 16, 18, 20




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