Biología 2º Bachillerato - Tema 7: Transcripción PDF

BIOLOGÍA 2ºBach TEMA 7: TRANSCRIPCIÓN 1. Genética molecular 1.1 El ADN como material hereditario: Experimento de Griffith 2. Características de los genes 3. Expresión de la información genética 4. Transcripción 4.1 Diferencias de la transcrip...

BIOLOGÍA 2ºBach TEMA 7: TRANSCRIPCIÓN 1. Genética molecular 1.1 El ADN como material hereditario: Experimento de Griffith 2. Características de los genes 3. Expresión de la información genética 4. Transcripción 4.1 Diferencias de la transcripción en eucariotas y procariotas 4.2 Etapas de la transcripción del ARNm 5. Retrotranscripción 1. Genética molecular La genética molecular nos muestra el ADN como molécula portadora de la información genética, determina el concepto de gen y describe los procesos de replicación, transcripción y traducción que hacen posible que el ADN transmita la información genética de generación en generación y que dirija el funcionamiento celular. Desde principios de los años 40 hasta la década de los 70, se sucedieron una serie de experimentos utilizando la bacteria Escherichia coli que permitieron demostrar la naturaleza molecular del gen. Se demostró que no eran proteínas sino moléculas de ADN con dos funciones esenciales: almacenar y expresar información necesaria para que un individuo desarrolle todos los caracteres y transmitir esa información de generación en generación. El ADN se replica y heredamos copias del ADN paterno y materno (el genotipo), en cuyas moléculas se localizan los genes. Estos poseen mensajes codificados y cuando se expresan (se transcriben y se traducen) se forman las diversas proteínas, que ponen de manifiesto los caracteres heredados (el fenotipo). 1.1 El ADN como material hereditario: Experimento de Griffith La primera prueba de que los genes estaban formados por ADN procede de los experimentos de transformación bacteriana realizados por el bacteriólogo F. Griffith (1928). Cuando Griffith buscaba una vacuna contra la neumonía provocada por la bacteria Streptococcus pneumoniae descubrió que existían dos cepas bacterianas distintas: - Cepas S (smooth=liso): bacterias que poseen una cápsula gelatinosa de polisacáridos y que son capaces de provocar la enfermedad. - Cepas R (rough=rugoso): bacterias que no provocan la enfermedad y que carecen de cápsula. Griffith pensó que se podían inmunizar ratones inyectándoles bacterias virulentas (S) muertas por el calor, o bien hacerlo con bacterias vivas no virulentas (R). En sus experimentos obtuvo algún resultado inesperado: 1º Los ratones inoculados con cepas S contraían la enfermedad y morían. De ellos se extraían bacterias vivas de la cepa S. 2º Los ratones inoculados con cepas S, muertas por el calor, no contraen la enfermedad. De ellos, por tanto, no se extraen bacterias vivas. 3º Los ratones inoculados con cepas R no contraen la enfermedad. De ellos no se extraen bacterias vivas, pues no crecen en el animal. 4º Los ratones inoculados con cepas S muertas por el calor y simultáneamente con cepas R vivas, contraen la enfermedad y mueren. De ellos se extraen bacterias vivas de la cepa S.  Estos últimos resultados llevaron a Griffith a deducir que en las bacterias muertas existía “algo” que llamó principio transformante, que era captado por las bacterias vivas no virulentas y transformaba sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en virulentas. Avery, MacLeod y McCarty (1940) consiguieron purificar dicho factor y demostraron que ese principio transformante era ADN, pues para que un extracto de células S transformara una cepa de células R, el único componente que debía contener, necesariamente, era el ADN. Esto demostraba que el ADN era el material genético en bacterias, pero no fue hasta 1952 cuando Hershey y Chase lo demostraron experimentalmente al trabajar con bacteriófagos T2, virus que atacan a la bacteria E. coli y que están formados únicamente por ADN y proteínas; las dos sustancias de las que se sospechaba que podría estar formado el material hereditario. Las proteínas del virus poseen azufre, pero no fósforo lo contrario que la molécula de ADN. Marcaron radiactivamente un grupo de virus con 32P y otro con 35S e infectaron con cada grupo un cultivo bacteriano diferente, que posteriormente se sometió a agitación y centrifugación para separar los restos de virus de las bacterias. Se midió la radiactividad de los medios intra y extracelular y se observó que el 35S había quedado en el exterior de las células mientras que el 32P había entrado en las células junto con el ADN y había provocado la formación de nuevos virus. De esta forma quedaba demostrado que el virus inyecta su ADN a la bacteria, integrándose este en el cromosoma bacteriano y dirigiendo la formación de las cápsulas de los nuevos virus. Por lo tanto, la molécula portadora de la información genética era el ADN y no la proteína. Una vez conocida la naturaleza química del gen, se planteó la necesidad de descubrir la estructura molecular del ADN para averiguar cómo están codificados los mensajes genéticos que definen la esencia del gen. Watson y Crick (1953) resolvieron el problema al elaborar el modelo de la doble hélice del ADN (visto en el tema de ácidos nucleicos). Este modelo fue aceptado ya que explicaba cómo se obtenían réplicas de dicha molécula que se transmitían a la descendencia abriéndose como una cremallera y cómo se almacenaba la información codificada en un idioma de 4 letras para la síntesis de proteínas. 2. Características de los genes El ADN es la molécula portadora de la información transmitida por los genes. Un gen es un segmento de ADN que lleva la información necesaria para que se sintetice una proteína determinada. En un gen se pueden distinguir las siguientes regiones:  El genoma de los organismos procariotas y eucariotas se diferencia en: * Genes policistrónicos: se transcriben en una larga cadena de ARNm que codifica varias cadenas peptídicas diferentes ya que contiene varios puntos de iniciación y de terminación de la traducción a lo largo del ARNm * Genes monocistrónicos: se transcriben en una cadena de ARNm que al traducirse sólo da lugar a una única cadena peptídica. 3. Expresión de la información genética El Dogma Central de la Biología Molecular (Crick 1956) es un concepto que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la información genética tras el descubrimiento de la codificación de ésta en la doble hélice del ADN. Propone que existe una unidireccionalidad en la expresión de la información contenida en los genes de una célula es decir, que el ADN es transcrito a ARNm y este a su vez, es traducido a proteínas las cuales, realizan la acción celular. En la actualidad, esta forma de expresar el flujo de información genética ha tenido que modificarse debido a los mecanismos de replicación que presentan ciertos virus: - Algunos virus que almacenan su información genética en forma de ARN poseen una enzima la ARN-replicasa capaz de fabricar copias de este ARN. - Los retrovirus almacenan su información genética en una molécula de ARN y emplean una enzima, la transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN en un proceso que recibe el nombre de transcripción inversa o retrotranscripción. 4. Transcripción: síntesis del ARN La transcripción es la primera fase de la expresión génica, durante la cual se transfiere la información del ADN al lenguaje de ARN es decir, se produce la síntesis de una molécula de ARN. La localización de dicho proceso es diferente en organismos eucariotas y procariotas: Eucariotas - Todos los tipos de ARN se sintetizan en el núcleo y luego se exportan al citoplasma, a través de los poros nucleares para que se produzca posteriormente el proceso de traducción. - Además de en el núcleo también existe ARN en las mitocondrias y cloroplastos. Procariotas - La transcripción tiene lugar en el citoplasma. 4.1 Diferencias de la transcripción en eucariotas y procariotas 4.2 Etapas de la transcripción del ARNm Para que se lleve a cabo la transcripción del ADN en las células se requieren los siguientes elementos: a) Una cadena de ADN que actúe como molde: de las dos cadenas de nucleótidos que forman el gen, solo una la denominada molde (3’→ 5’) se transcribe mientras que la otra llamada informativa o codificante no lo hace. b) Ribonucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP) para llevar a cabo la copia que se unen mediante enlace fosfodiester (5’→ 3’) c) Enzimas: el proceso está catalizado por las ARN-polimerasas. En los procariotas solo existe una mientras que en eucariotas existen tres: ARN-polimerasa I que interviene la formación del ARNr, la ARN-polimerasa II que sintetiza ARNm y la ARN-polimerasa III que sintetiza ARNt y un ARNr de pequeño tamaño. La transcripción consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación; tras la terminación se produce la maduración del ARN. En la molécula de ADN van a existir genes que: - se transcriben ya que llevan información para la síntesis de proteínas. - se transcriben, pero no se traducen ya que son portadores de información para la síntesis de determinados tipos de ARN (ARNt, ARNr) - no se transcriben ni se traducen, pero llevan secuencias génicas reguladoras que indican donde debe empezar y terminar de transcribirse un gen. Iniciación Comienza cuando la ARN-polimerasa (ARN-polimerasa II en euc.)reconoce en el ADN que se va a transcribir, una señal que indica el inicio del proceso. Esta señal se encuentra en los denominados centros promotores que son unas determinadas secuencias cortas de bases nitrogenadas a las que se une la ARN-polimerasa. En el caso de organismos eucariotas estas secuencias son: - secuencia -25 o TATA box o caja de Hogness - secuencia -80 CAAT - secuencia -120 GC A estos centros promotores se asocian unas proteínas denominadas factores basales en eucaritoas que ayudan a la ARN polimerasa a situarse correctamente en el sitio de iniciación del gen. La ARN-polimerasa (ARN-polimerasa II) 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. Para saber más Además de las secuencias de iniciación, existen en los genes eucariotas otros dos tipos de secuencias: - Las secuencias potenciadoras (enhancers) a las que se unen los factores activadores de la transcripción que llevan a cabo 2 funciones: desempaquetar la cromatina y facilitar el acoplamiento de los factores basales con la ARN polimerasa II lo que aumenta la velocidad con la que se sintetiza el pre-ARN.  - Las secuencias silenciadoras (silencers) que se encuentran intercaladas con las activadoras y a las cuales se unen los factores represores de la transcripción lo que provoca la disminución de la velocidad de transcripción. Elongación Es la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN-polimerasa (ARN-polimerasa II) avanza a lo largo de la cadena molde 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 eucariotas se transcriben intrones (no contienen información para la síntesis de la cadena polipeptídica) y exones (contienen información para formar la cadena polipeptídica) hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir. En los eucariotas, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade en el extremo 5´ una caperuza de metilguanosina formada por metil-guanosin-fosfato, que tiene dos funciones: proteger al ARN de la degradación de las nucleasas (enzimas) cuando sale del núcleo al citoplasma y por otro lado, indicar a los ribosomas donde debe comenzar la traducción. Terminación La ARN-polimerasa (ARN-polimerasa II) reconoce en el ADN unas señales de terminación (secuencia TTATTT en euc.) 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 (ARN-polimerasa II) del ARN transcrito. Una vez terminada esta etapa se forma el ARN transcrito primario (pre-ARNm). En eucariotas, después de esa secuencia de terminación se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares y contribuya a su transporte fuera del núcleo. En los procariotas, la señal de terminación es una secuencia de bases palindrómicas (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. Éste favorece su separación del ADN. El bucle se forma por autocomplementariedad de las bases G y C situadas en la cola del ARN. Maduración postranscripcional del ARN La maduración del pre-ARNm consiste en un conjunto de modificaciones en ambos extremos de la molécula, en la eliminación de intrones y en la alteración de ciertas secuencias codificantes en algunos ARNm. Procariotas: El ARNm de los procariotas puede ser directamente traducido y a partir de él se forma una proteína funcional. No se puede hablar, por tanto, de una maduración de los ARNm en estos organismos. Sin embargo, cuando se transcribe el ADN que codifica los ARNt y los ARNr se forma una larga molécula de ARN que contiene numerosas copias de las secuencias del ARNr o el ARNt. Esta larga molécula, el transcrito primario, es posteriormente cortada en fragmentos más pequeños por enzimas específicas, para dar lugar a los distintos ARNt y ARNr. Eucariotas: 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 fragmentos de ADN que se transcriben, pero que no se traducen, es decir, no codifican una secuencia de aminoácidos.  - Los exones son los fragmentos de ADN 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 exones. Su maduración consiste en la eliminación de los intrones y la unión de los exones mediante un mecanismo que se conoce con el nombre de splicing (empalme) y que requiere la presencia de una enzima llamada ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). Este proceso de corte y ensamblaje da lugar a diferentes ARNm y por tanto a diferentes proteínas en el proceso de traducción. Para saber más 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 procariotas y no se sabe que función cumplen en eucariotas. 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 tener intrones. Las bacterias los habrían perdido por selección natural, pues para ellas es crucial dividirse muy rápidamente. Se habrían conservado en eucariotas porque presenta ventajas evolutivas. Las levaduras, que son unos eucariotas con un modo de vida similar al de muchas bacterias, no presentan intrones; sin embargo las mitocondrias, que se cree que descienden de bacterias endosimbiontes, sí tienen intrones en su ADN, pues no están sometidas a la misma presión. 5. Retrotranscripción En las células y algunos virus existen enzimas retrotranscriptasas que son capaces de invertir el flujo de la información genética del ARN al ADN. Los retrovirus se caracterizan porque su genoma está constituido por una o más cadenas de ARN sencillas que tienen la información necesaria para construir nuevos virus; además tienen la particularidad de llevar una doble vida: a veces con ARN y otras con ADN. Como cualquier virus necesitan una célula para sintetizar sus componentes. Los retrovirus los podemos encontrar como: - Virus infectantes de vida libre que poseen una envoltura proteica o cápsida que aloja la hebra de ARN y la enzima retrotranscriptasa. - Provirus con doble hebra de ADN la cual está integrada en un cromosoma de la célula hospedadora infectada como si fuera uno más de sus genes. Ciclo vital de un retrovirus (Virus VIH) 1. Fijación y entrada: el retrovirus se une a receptores de membrana (linfocitos TH) y funde su envoltura con la membrana celular. Se despoja de su cápsida y deja libre las dos hebras de ARN y las enzimas. 2. Retrotranscripción: cada enzima retrotranscriptasa utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de ADN copia (ADNc) formando un híbrido con la hebra de ARN. Después vuelve a actuar la enzima degradando el ARN y creando otra hebra de ADN complementaria a la cadena de ADNc. 3. Integración: se forma una doble hélice de ADN vírico que se integra en el genoma de la célula hospedadora y se convierte en provirus comportándose como un gen más. 4. Transcripción y traducción: a partir de su integración en un cromosoma celular, el provirus realiza el ciclo vital de reproducción utilizando la maquinaria del núcleo celular para realizar la replicación, transcripción y traducción fabricando así nuevas copias de ARN vírico, proteínas de la cápsida y de la envoltura, y enzimas retrotranscriptasas. 5. Ensamblaje: las vesículas del aparato de Golgi transportan las glucoproteínas de la envoltura hasta la membrana plasmática. Los demás componentes de la cápsida se ensamblan alrededor del ARN y de las enzimas retrotranscriptasas. 6. Salida de viriones: los retrovirus formados se dirigen hacia la membrana (donde están las glucoproteínas de la envoltura) por donde a través de gemación abandonarán la célula siendo libres y capaces de infectar nuevas células.