Biología

Machete 6: Unidad 4, Capítulo 1 Una de las alternativas que, desde UBA XXI, te ofrecemos para acompañarte en el estudio de esta materia, son las tutorías presenciales. En el campus encontrarás el Cronograma de tutorías que te da información sobre los horarios y las sedes donde se dictan, y también los temas del programa que se van a tratar semana a semana. Para que puedas aprovecharlas es muy importante que concurras con los textos leídos. Aquí presentamos algunos de los temas que trabajaremos en ese momento.

NÚCLEO (INTERFÁSICO) La siguiente descripción del núcleo corresponde al momento del ciclo celular denominado interfase (momento en que la célula no se divide). Cuando la célula entra en fase de división, el núcleo experimenta grandes cambios.

Estructura - Envoltura nuclear o carioteca: formada por dos membranas concéntricas, la membrana interna (en contacto con el interior del núcleo) y la membrana externa (en contacto con el citoplasma. Tiene ribosomas adheridos y una expansión de la misma da origen al REG). Ambas membranas están separadas por el espacio perinuclear. La carioteca presenta “perforaciones”: los complejos del poro, que permiten una comunicación entre núcleo y citoplasma. El transporte a través de los poros es, para la mayoría de las moléculas excepto las muy pequeñas, un transporte activo (consume energía de GTP), mediado por proteínas y muy selectivo.

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Transporte citoplasma-núcleo: las moléculas a transportarse deben tener una señal que indique que su destino es el interior del núcleo (NSL o señal de localización nuclear). Las proteínas transportadoras son las importinas. Ejemplos de moléculas que se transportan desde el citoplasma hacia el núcleo son: histonas, proteínas ribosomales, enzimas de la duplicación del ADN, enzimas de la transcripción. Transporte núcleo-citoplasma: las moléculas a transportarse deben tener una señal que indique que su destino es el citoplasma (NES o señal de exportación nuclear). Las proteínas transportadoras son las exportinas. Ejemplos de moléculas que se transportan desde el núcleo hacia el citoplasma: ARNm, ARNt. - Lámina nuclear: red de filamentos proteicos (del tipo de filamentos intermedios) que está adyacente a la membrana interna. Da soporte interno al núcleo y se relaciona con la desorganización y reorganización de la carioteca al momento de la división celular. -Nucleoplasma: sustancia que ocupa el uvespacio interno del núcleo y que contiene sustancias disueltas (ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos libres, etc.), la matriz nuclear (esqueleto filamentoso que será soporte de cromosomas) y el ADN asociado a histonas. -Nucleolo: área o sector dentro del núcleo en el cual se sintetizan algunos ARN ribosomales que allí mismo se ensamblarán con proteínas ribosomales para formar las subunidades ribosomales. -Cromatina: asociación del ADN con histonas. Las histonas se agrupan en octámeros (ocho moléculas de histonas), alrededor de las cuales se enrolla el ADN. A este conjunto se lo denomina nucleosoma (unidad de la cromatina). La histona 1 no forma parte del nucleosoma pero se le une.

Histonas

Hay dos tipos de cromatina: •

Heterocromatina: es la más condensada y por ello no se transcribe.

•

Eucromatina: es la que está en estado más laxo y es la que se transcribe.

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Cuando la célula entra en división, se producen una serie de cambios en la cromatina. En forma relativamente rápida, la cromatina sufre una condensación progresiva hasta alcanzar el máximo grado de compactación posible: el cromosoma.

Un cromosoma típico consta de un centrómero, dos cromátides hermanas y telómeros. Cada cromátide es una molécula de ADN. Las dos cromátides hermanas de un cromosoma son dos moléculas de ADN idénticas en cuanto a la información genética (originadas a partir de la duplicación del ADN).

Los cromosomas pueden adoptar distintas morfologías según la posición del centrómero:

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Cariotipo Imagen gráfica o fotográfica de los cromosomas presentes en el núcleo de una célula somática de un individuo. Esta imagen debe ser tomada en el momento en que los cromosomas sean visibles (o sea, al momento de la división, concretamente en la metafase, que es el momento de máxima condensación de la cromatina). En la imagen se presenta el cariotipo de una célula humana (puntualmente de un varón, dado que los cromosomas sexuales son X e Y). Hay 22 pares de autosomas (cromosomas que no son los sexuales) y un par de cromosomas sexuales. Esto hace un total de 46 cromosomas (número típico de cromosomas en la especie humana).

Par de cromosomas homólogos (aunque no se vea claramente, cada uno de estos cromosomas está formado por dos cromátides)

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TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Algunos conceptos centrales son: -Gen: secuencia de ADN que posee información y que transcribe para un producto celular con función específica. Es la unidad informativa del ADN, responsable de una característica transmisible. -Genoma: conjunto de genes de una especie. -Expresión genética: es el desciframiento o decodificación de la información contenida en el ADN. La expresión genética se da en dos etapas, representadas de la siguiente manera:

-Transcripción: pasaje de la información contenida en el ADN al ARN. -Traducción: pasaje de una secuencia de nucleótidos, contenida en el ARN, a una secuencia de aminoácidos (o sea, a una proteína) -Duplicación del ADN: cada molécula de ADN genera dos copias idénticas (este proceso no tiene que ver directamente con la expresión genética, sino que lo relacionamos como algo necesariamente previo a la división celular, ya que una célula duplicará su ADN para luego repartirlo equitativamente entre las células hijas). -Transcripción inversa: es el único paso “reversible” del dogma y solamente puede hacerlo cierto tipo de virus (retrovirus). Es importante destacar el flujo de la información genética del ADN hacia las proteínas (con la excepción de la transcripción inversa).

TRANSCRIPCIÓN Implica la síntesis de moléculas de ARN a partir de una molécula de ADN molde. Esta síntesis la realiza la enzima ARN polimerasa, que “lee” los nucleótidos del ADN, busca ribonucleótidos complementarios a éstos, y construye una cadena nueva en base a la información de una de las hebras del ADN. La ARN polimerasa se caracteriza porque: -

la hebra de ADN que toma como molde es la 3´ 5´, es decir que leerá esa cadena molde en dirección 3´5´.

-

Sintetiza la cadena de ARN en dirección 5´3´, que será, por lo tanto, antiparalela y complementaria a la hebra molde de ADN.

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Ejemplo: 5´ATTCGACCGAATTT 3´ 3´TAAGCTGGCTTAAA 5´

Hebra antimolde, positiva o codificante Hebra molde, negativa o no codificante

transcripción

5´AUUCGACCGAAUUU 3´

Molécula de ARN

PROCESO DE LA TRANSCRIPCIÓN Es muy similar en eucariontes y en procariontes. Por eso describimos el proceso en líneas generales y luego vemos las diferencias entre eucariontes y procariontes.

1- La ARN polimerasa reconoce una secuencia específica de nucleótidos de ADN: el promotor. El promotor será reconocido específicamente por la ARN polimerasa y de algún modo marcará el punto de inicio de la transcripción de un gen. 2- La ARN polimerasa comienza a avanzar separando las dos cadenas del ADN (rompiendo los puentes de hidrógeno entre ellas) y, simultáneamente, va leyendo la hebra molde y sintetizando la cadena de ARN complementaria. Los sustratos de la transcripción serán los ribonucleótidos trifosfatados (al incorporarse al ARN rompen 2 enlaces fosfatos y liberan la energía necesaria para unirse al ARN en crecimiento). 3- La ARN polimerasa avanza hasta que reconoce secuencias específicas del ADN: las secuencias de terminación, que señalan el fin de la transcripción.

Comparación de la transcripción en eucariontes y en procariontes: PROCARIONTES Un solo tipo de ARN pol (con varias subunidades) Promotor típico procarionte Sin factores de transcripción En el citoplasma Secuencias de terminación procariontes ARNm no maduran ni se procesan

EUCARIONTES 3 tipos de ARN pol: ARN pol I, ARN pol II, ARN pol III (cada una transcribe cierto tipo de ARN) Promotor típico eucarionte Con factores de transcripción En el núcleo Secuencias de terminación eucariontes ARNm siempre se procesan

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En ambos tipos celulares, los ARNt y ARNr sufren un proceso de maduración, pero solamente en eucariontes los ARNm son procesados. Otra diferencia entre ARNm eucarionte y procarionte es que los ARNm procariontes son policistrónicos (cada ARNm tiene información para más de una proteína) mientras que los ARNm eucariontes son monocistrónicos (cada ARNm tiene información para sólo una proteína). El ARNm eucarionte recién transcripto se llama transcripto primario. Se caracteriza porque contiene dos tipos de secuencias: los exones (secuencias codificantes, tienen información para la síntesis proteica) y los intrones (secuencias no codificantes, es decir, sin información y por ello, luego, serán eliminadas).

Maduración de ARNm en eucariontes

Son 3 modificaciones que ocurren en el núcleo: 1- capping: al extremo 5´se le agrega un nucleótido modificado ó CAP (protege al extremo 5´ y luego en la traducción permitirá el reconocimiento del ribosoma). 2- poliadenilación: agregado al extremo 3´de una sucesión de adeninas, la cola poli-A (protege al extremo 3´) 3- splicing: eliminación de intrones y empalme de exones. El resultado es un ARNm maduro.

TRADUCCIÓN Implica el desciframiento del ARNm a una secuencia de aminoácidos. ¿Por qué “traducción? Porque entre ARN y proteína hay un evidente cambio de lenguaje: de los nucleótidos pasamos a los aminoácidos. Debe haber entonces, como en toda traducción, un “diccionario” que permita hacer equivalencias entre ambos lenguajes. Es decir, que establezca relaciones de correspondencia entre los nucleótidos y los aminoácidos. Estamos hablando del código genético. El código relaciona codones (secuencias de 3 nucleótidos consecutivos presentes en el ARNm) con aminoácidos. El código genético tiene 3 características: -

es universal: el mismo código es aplicable a todos los seres vivos;

-

es degenerado: existen codones sinónimo, es decir que varios codones distintos codifican el mismo aminoácido (ejemplos: CCA – CCC – CCU – CCG codifican todos para prolina, luego son codones sinónimo);

-

no es ambiguo: a cada codón le corresponde un y solo un aminoácido.

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De todos los codones que presenta el código: -

AUG codifica para metionina. Es el codón que marcará el inicio de la traducción.

-

UAG, UGA, UAA son los codones de terminación, señalan el fin de la traducción

Repasemos algunas características de los tres tipos de ARN: ARNm 9

Lleva, en su secuencia de nucleótidos, la información para una secuencia de aminoácidos.

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A cada conjunto de tres nucleótidos consecutivos se los llama codón o triplete. Un codón codifica para un aminoácido.

ARNr 9

Hay distintos tipos de ARNr que se distinguen fundamentalmente por su tamaño.

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Se asocian con proteínas ribosomales y constituyen así los ribosomas.

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Los ribosomas están formados por dos subunidades, la mayor y la menor. Son el lugar físico de la síntesis proteica.

ARNt 9

Transporta los aminoácidos hacia el ribosoma.

9

Tiene bases modificadas químicamente.

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Está plegado en forma de trébol.

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Tiene un anticodón, que será complementario a algún codón del ARNm.

¿En qué consiste la traducción? Dado un cierto ARNm, se comienza a leer desde el extremo 5´ hacia el 3´ buscando el primer codón AUG que aparezca: la traducción comienza allí. Se irán leyendo progresivamente los codones y traduciendo a aminoácidos y hasta que aparezca un codón de terminación. Veamos un ejemplo:

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5´CCUAGAUGCCCUUUGCAGGCUAACCCU 3´

ARNm

traducción

Met- pro – fen –ala – gli – terminación

Proteína

PROCESO DE SÍNTESIS DE PROTEÍNAS a- Aminoacilación: implica cargar a cada ARNt con el aminoácido específico que deberá transportar. Esto se lleva a cabo por enzimas específicas que son las aminoacil ARNt sintetasas que hacen esto con consumo de ATP. b- Traducción: se divide en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

Iniciación: a la subunidad menor del ribosoma se une el ARNm y el primer ARNt ó ARNt iniciador, que reconocerá al codón inicio (lleva metionina). Luego se acopla la subunidad mayor del ribosoma. Quedan así definidos dos lugares contiguos en el ribosoma: sitio P y sitio A. En el P queda orientado el ARNt iniciador.

Elongación: al sitio A ingresa un ARNt. El aminoácido del sitio P se libera del ARNt y se une al aminoácido que está en sitio A. La enzima que cataliza esta unión es la peptidil transferasa. El ARNt del sitio P está “descargado” y sale del ribosoma. Luego se produce un corrimiento del ribosoma hacia el extremo 3´ del ARNm: la traslocación. Como consecuencia, lo que estaba en A pasa a estar en P. Con lo cual ahora el sitio P vuelve a estar ocupado y el A libre (igual a como empezó esta etapa). Al sitio A llegará otro ARNt, se formará otra unión peptídica, traslocación, etc. Se repite

Terminación: el codón de terminación es reconocido por factores de terminación. La cadena de aminoácidos unidos se libera del ARNt que la transporta, el ARNm ya leído completamente se disocia del ribosoma y finalmente las dos subunidades ribosomales se desacoplan.

Diferencias en la traducción procarionte y en la eucarionte: en procariontes la traducción es cotranscripcional. Esto significa que es simultánea con la transcripción debido a que ambos procesos

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(transcripción y traducción) ocurren en el mismo lugar (el citoplasma) y a que los ARNm no sufren maduración ni procesamientos. En eucariontes, la traducción es post-transcripcional, es decir que ocurre una vez que la transcripción terminó, porque en este caso transcripción y traducción ocurren en lugares diferentes (núcleo y citoplasma respectivamente) y, además, porque los ARNm siempre sufren modificaciones antes de traducirse.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA En los organismos pluricelulares, todas las células de un mismo individuo son genéticamente idénticas (tienen las mismas moléculas de ADN), ya que son el producto de sucesivas mitosis a partir de la cigota. A lo largo del desarrollo las distintas células, van pasando por un proceso de diferenciación celular, algo así como la especialización de los distintos tipos celulares. Pero estas células tan diferentes unas de otras, con funciones tan diversas, son genéticamente iguales. ¿Cómo se produjo esa diferenciación celular si todas son genéticamente iguales? La respuesta tiene que ver con la expresión diferencial de los genes. Es decir que, si bien todas las células de un mismo individuo tienen los mismos genes, en cada una de ellas no necesariamente se expresan (transcriben y traducen) exactamente los mismos genes. Y esa expresión diferencial es lo que hace la diferencia entre un tipo celular y otro. Veamos un ejemplo ficticio pero sencillo. Supongamos que el genoma humano consistiera solamente en cuatro genes: gen 1, gen 2, gen 3 y gen 4. Una neurona tendría esos cuatro genes y una célula epitelial también. Son dos tipos de células bien diferentes y con funciones distintas también. ¿Qué las hace diferentes si sus genes son los mismos? Por ejemplo, en la neurona podrían expresarse el gen 1, gen 3 y gen 4. En la célula epitelial el gen 1 y el gen 2. Vemos que en ambos casos partimos de la misma información pero la expresión de los genes es diferencial en cada caso. ¿Cómo se logra la expresión diferencial de los genes? Por mecanismos de regulación de la expresión genética.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIONTES La regulación es muy simple y se da a nivel de la transcripción. En procariontes, los genes que participan de una misma vía metabólica se expresan en forma conjunta, bajo un único promotor y una única secuencia reguladora para todo el conjunto. A este conjunto se lo llama operón.

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OPERÓN

Proteína represora

-Gen regulador: gen cuya expresión es una proteína represora o represor. -Promotor: secuencia de ADN que será reconocida por la ARN polimerasa. -Operador: secuencia de ADN a la que puede unirse el represor. -Genes estructurales: genes que se expresan en conjunto y que participan de una misma vía metabólica. -Operón: conjunto formado por promotor + operador + genes estructurales.

Veamos un ejemplo de regulación de este tipo: el operón lactosa. Este operón tiene la misma estructura de todos los operones. Sus genes estructurales, en este caso, cuando se expresan generan como producto enzimas que son necesarias para degradar la lactosa. Los procariontes pueden degradar lactosa para así obtener energía. Para ello necesitan de enzimas que les permitan hacer esa degradación. Si hay lactosa presente, serán necesarias las enzimas que permitan degradarla. Si no hay lactosa presente, esas enzimas no hacen falta. Por lo tanto, la regulación de la expresión de los genes estructurales en este ejemplo dependerá de si hay o no lactosa presente para degradar. ¿Qué ocurriría en ambas situaciones?

SIN LACTOSA PRESENTE

El gen regulador produce una proteína represora activa. Esto significa que puede unirse al operador. Cuando esto ocurre, la ARN polimerasa ve impedido su acceso a los genes estructurales que como consecuencia no se transcriben, o sea, no se expresan.

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CON LACTOSA PRESENTE

El gen regulador produce una proteína represora activa, pero, como hay lactosa presente, la lactosa se une al represor. El efecto de esto es que el represor se inactiva, es decir que ya no puede unirse al operador. De este modo la ARN polimerasa puede acceder a los genes estructurales que de este modo pueden expresarse. Se sintetizarán así las enzimas que permitirán degradar la lactosa.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN EUCARIONTES La regulación de la expresión genética en los eucariontes se da a muchos más niveles que en los procariontes. Tenemos: 1) Regulación a nivel de la transcripción: - por factores de transcripción: los basales permiten que la ARN pol reconozca eficazmente al promotor. Los específicos se relacionan con secuencias reguladoras que tienen que ver con regular la intensidad de la transcripción; - heterocromatinización: las porciones de cromatina que estén más condensadas, en forma de heterocromatina, no se transcribirán; - metilación del ADN: modificación química que puede hacerse a ciertas secuencias de ADN que de este modo ya no se expresarán. 2) Regulación a nivel del procesamiento del ADN: por ejemplo, el splicing alternativo que consiste en otras formas de splicing posibles diferentes a la “tradicional”. Por ejemplo, un exón puede ser eliminado como si fuera un intrón. Este mecanismo permitiría generar, a partir de un mismo ARN transcripto primario, varios ARNm maduros distintos según el splicing que se lleve a cabo. 3) Regulación del transporte del ARNm desde el núcleo hacia el citoplasma. 4) Regulación de la traducción del ARNm. 5) Regulación de la actividad y estabilidad proteica.

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