La regulación de la expresión genética.

Es necesario que haya, pues sin ellos las células producirían continuamente grandes cantidades de proteínas. La regulación de las síntesis proteica puede hacerse en la replicación,transcripción o traducción. A pesar de ello, el mecanismo que actúa en la transcripción es el más conocido.

1.La regulación en procariotas.
1960 JACOB Y MONOD propusieron un modelo llamado operón, para la regulación en bacterias.
El operón es un conjunto de genes que codifican proteínas diferentes implicadas en procesos bioquímicos muy relacionados como los enzimas que intervienen en una misma ruta metabólicos. Estos genes se localizan unos cerca de otros en el cromosoma, con el fin de que su expresión se realice de una forma coordinada.

• En modelos inducibles, la expersión está bloquedad salvo que en el medio esté presente una molécula determinada, inductor, que la activa.
• En modelos represibles, los genes se expresan salvo que una proteína represora(el represor) inhiba la transcripción.
• Elementos que componen el modelo del operón.
• Los genes estructurales (Gen 1, Gen 2...)Codifican la síntesis de las proteínas enzimáticas (E1,E2...) que participan en un  determinado proceso bioquímico.

• El gen regulador (R)Codifica la síntesis de una proteína represora(el represor)y es el agente que controla materialmente la expresión.

• El promotor(P) Está próximo a los genes estructurales, y es la zona donde se une el enzima ARN-polimerasa y decide el inicio de la transcipción.
• El operador (O). Es una secuencia de ADN reconocida por el represor que bloquea al operador e impide el avance de la ARN-polimerasa, la transcripción se interrumpe y se produce una represión génica(los genes no se expresan)
• El inductor. Sustrato o compuesto cuya presencia induca a la expresión de los genes.
• El operón lactosa.

El ejemplo mejor conocido es el de el operón lactosa de la bacteria escherichia coli.
La lactosa es un disácarido que E.coli  puede usar como fuente de energía y carbono, después de degradarla en glucosa y galactosa.El enzima que lleva acabo la degradación es la 𝛃-galactosidasa. La regulación tiene lugar de la siguiente manera:

• Si en el medio no hay lactosa(sin inductor). El operón está regulado por un gen regulador que codifica una proteína represora con dos lugares de unión. Uno bloquea el operador, y los genes no se transcriben
• Si en el medio hay lactosa (con inductor). La lactosa actúa como inductor y se una al segundo lugar de unión de la proteína represora, provocando un cambio en su conformación que no bloquea al operador, permita la transcripción de los genes.

2.La regulación en eucariotas.
El principal `punto de regulación es el inicio de la transcripción. Casi ninguno de los genes eucarióticos se encuentra en grupos tipos operón. Cada gen eucariótico tiene secuencias reguladoras específicas esenciales para la transcripción. Las diferencias principales con las procariotas son:

• La activación de la transcripción en eucariotas está asociada con múltiples cambios en la estructura de la cromatina de la región que se va a transcribir. La activación se produce por la unión del ADN a determinados factores de transcripción.
• Predomina la regulación positiva, aunque también existan elementos de regulación negativa.
• Hay una separación física entre la transcripción(en el núcleo) y la traducción(en el citoplasma).

Otra consecuencia de la regulación de la expresión de los genes en los organismos eucariotas pluricelulares es que permitan a las células individuales realizar funciones específicas, y a grupos de células organizarse en tejidos,órganos,aparatos y sistemas.

La traducción

La traducción consiste en transformar la información contenida en la secuencia de bases del ARNm en una secuencia de aminoácidos de una proteína. Pero nos encontramos con dos problemas:
-El triplete de ARNm tiene que descodificarse para que se produzca a correspondencia nucleótidos-aminoácidos establecida por el código genético.
-El tamaño molecular de un triplete de nucleótidos es mucho mayor que el de un aminoácido.
 La molécula que interviene para solucionarlos es el ARNt. 

• ARNt.

Se debe a su estructura secundaria en forma de hoja de trébol.
El brazo aceptor (no tiene bucle), presenta en su cadena más larga(extremo 3') un triplete CCA (sujeta al aminoácido por la A.
El brazo anticodón (opuesto al aceptor) tiene un triplete de anclaje complementario a un triplete de la cadena de ARNm, un anticodón.
Cada molécula de ARNt es específica de cada aminoácido,según el anticodón sujeta uno u otro aminoácido de los que hay libre en el citoplasma.


1. La fase previa a la traducción.
También conocida como fase de activación de los aminoácidos en forma de aminoacil-ARNt.
La activación de un aminoácido ( su fijación al triplete CCA del ARNt) exige la presencia de una molécula de ATP (proposciona energía) y un enzima aminoacil-ARNt-sintetasa (específico para cada aminoácido). En la reacción de activación el ATP libera un grupo fosfato (PPi).
El complejo aminoácido-ARNt  unido, recibe el nombre de complejo de transferencia. Esta es la forma en que los aminoácidos se transportan y se unan para formar las cadenas polipeptídicas.

2.Fases de la traducción.

Son iguales tanto en procariotas como en eucariotas.

• Fase de iniciación.

Hacen falta dos señales de iniciación para que empiece la síntesis de proteínas:

• El triplete de iniciación AUG (codifica la metionina).
• La caperuza (guanosina metilada trifosfatilada o metil-GTP) del ARNm

Comienza por el triplete de AUG más próximo a la caperuza,  y no tiene lugar si no se encuentra este triplete, por tanto, la Metionina es siempre el primer aminoácido de la cadena polipeptídica (normalmente se elimina al final del proceso)

Con la energía que se produce el la hidrólisis del metil-GTP, la unidad menos del ribosoma se une el ARNm en la zona próxima a la caperuza (extremo 5') y forma el  complejo de iniciación.

Luego se coloca el ARNt iniciador( cargado con el aminoácido Metionina) que presenta el aminoácido complementario al AUG . Todas las proteínas recién sintetizadas tienen Metionina en su extremo N-terminal.

Al final de la fase de iniciación, la subunidad mayor del ribosoma se acopla con el complejo de iniciación para formas un ribososma completo dotado de dos hendiduras o sitios de fijación:

• El sitio P, queda ocupado por el ARNt-Met.
• El sitio A, está libre para recibir a un segundo ARNt con su correspondiente aminoácido.

Todos estos procesos están catalizados por los llamados factores de iniciación (FI)

• Elongación de la cadena polipeptídica.

La elongación consiste en la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena. Es el crecimiento de la cadena polipeptídica, se puede considerar como la repetición de ciclos de elongación, cada uno de los cuales consiste en añadir un nuevo aminoácido a la cadena.

• Primera fase.

El sitio P  está ocupado por el ARNt-Met  y en el sitio A se introduce otro ARNt cargado con su correspondiente aminoácido, cuyo anticodón es complementario al cocodón siguiente al AUG. 

• Segunda fase.

La Metionina (unida por su grupo carboxilo al ARNt) rompe el enlace y se una mediante enlace peptídico al grupo amino del siguiente aminoácido, que a su vez está enlazado al ARNt. El resultado es la formación de un dipéptido alojado en el sitio A. La unión la cataliza un enzima llamado peptidil-transferasa. El sitito P  queda ocupado por el ARNt sin 
aminoácido.

• Tercera fase.

El ribosoma se desplaza a lo largo d ela cadena de ARNm de tres en tres nucleótido en sentido 5'→3'. esto provoca la expulsión del ARNt-Met del sitio P. El dipeptidil-ARNt pasa del sitio P al sitio A, con lo que restablece otra vez la situación de la primera fase (es sitio A vacío). En este punto se inicia otro ciclo de elongación. EL proceso es catalizado por los factores de elongación (FE) y requiere gasto de GTP.

• Terminación.

La síntesis se detiene cuando en el sitio A  aparece uno de los tres codones de terminación (UAA,UAG o UGA).

En este momento el factor protéico de terminación(RF) se une al codón de terminación, e impide que algún complejo de transferencia se aloje en el sitio A. 

Estos dos factores provocan la separación de la cadena polipeptídica del ARNt, se libera y termina su síntesis. Luego se separan las unidades del ribosoma.

Si un ARNm es lo suficientemente largo, puede estra siendo leído a la vez por varios ribosomas(5-40), cuando ocurre esto se forma una estructura conocida como polisoma o polirribosoma. Pueden ser libres en el citoplasma o se pueden encontrar unidos  la membrana de las cisternas del retículo endoplasmático.

El código genético

El descubrimiento de que el ADN era material genético puso en marcha una serie de investigaciones que intentaban explicar de que forma se almacenaban y organizaban las instrucciones genéticas en la molécula de ADN, y conocer la correspondencia entre los aminoácidos de una proteína y los tripletes de nucleótidos del ARNm, establecer un código genético.

1.Establecimiento del código genético.

El código genético es la relación de correspondencia entre las bases nitrogenadas del ARNm y los aminoácidos que codifica.
En condiciones normales solo hay 20 aminoácidos en las proteínas, entonces debe haber al menos 20 palabras codificadas en una cadena lineal simple de ADN. 
Está comprobado que la codificación de los 20 aminoácidos viene especificada por secuencias de 3 nucleótidos llamados codones o tripletes. Si la unidad de información fuera 1 nucleótido, el número de combinaciones posibles serían 4( las 4 bases nitrogenadas), pero al ser la unidad de la información de 3 nucleótidos, el número de combinaciones posibles son 64 (4³ =64)

2.Características del código genético.

• Universalidad.

Es universal, debido a la correspondencia entra codones-aminoácidos, es independiente del organismo estudiado. No es del todo cierto, ya que se han encontrado excepciones en mitocondrias del ser humano y otros mamíferos, y en ciertas bacterias. Por tanto es  casi universal.

• Degeneración.

Degeneración→ hecho de que un aminoácido esté codificado por más de un codón.
Hay has ta 6 codones para un mismo aminoácido. A los codones que codifican el mismo aminoácido se les llama codones sinónimos.

• Código no solapado.

La lectura del códifgo se hace de tres en tres bases( por codones), es una lectura seguida, no comparten ninguna base nitragonada.

• Otras características.

• El codón de inicio.

AUG es el único codón que codifica la Metionina. Además de codificar este aminoácido a la cadena polipeptídica, actúa como codón de inicio en la mayoría de casos. (ACG,CUG,GUG con menos frecuencia).

• El codón con sentido.

Solo 61 codones, son los llamados codones con sentido, dirigen la incorporación de aminoácidos a las proteínas.

• Los codones de terminación o "stop" o codones sin sentido.

No codifican aminoácidos, indican al enzima cuando terminar de sintetizar aminoácidos. UGA, UAG,UAA.

Verde →codón de inicio      Rojo → codones de stop

La transcripción

Es el proceso por el cual se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen (ADN) a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias de ARNm. 

1.La transcripción en procariotas.

• Iniciación.

Etapa más compleja.El ARN-polimerasa tiene que reconocer un región de la cadena, llamada centro promotor (una señal con unas determinadas secuencias de bases nitrogenadas). Las secuencias de bases que se encuentran con más frecuencia son TTGACA  y TATAAT.
El enzima ARN-polimerasa desenrolla una vuelta de hélice del ADN,➝ crea una brubuja de transcripción que permite que la secuencia de bases del ADN quede expuesta y se puedan incorporar ribonucleótidos. Esta burbuja se va desplazando por la cadena junto con la ARN-polimerasa. En procariotas hay dos centros promotores (a unos 10-35 nucleótidos antes del punto de iniciación).

• Elongación.

El enzima ARN-polimerasa  lee el ADN en la dirección 3'➝5'. Pero el crecimiento de ARN se realiza en sentido 5'➝3'. El enzima va añadiendo ribonucleótidos de acuerdo con las reglas de complementariedad.

• Terminación.

El enzima ARN-polimerasa continúa la transcripción hasta que se encuentra una señal de parada en el ADN. El ARNm se separa.

Esa señal es una región palindrómica( una secuencia de bases con la misma lectura de izquierda a derecha que de derecha a izquierda).El ARN forma una horquilla que por alguna razón hace que se separe del ADN molde y se interrumpa la síntesis.

• Maduración del ARNm.

La molécula que resultante directamente del rpoceso de transcripción se llama transcrito primario o precursor del ARN. En este caso (procariotas) los ARN de transferencia y ribosómicos tienen transcritos primarios, pero el ARNm carece de precursor, permite su empleo inmediato para la traducción.

https://www.youtube.com/watch?v=yWTDuB26Cqg

2.La trascripción en eucariotas.

Ocurre en el núcleo de la célula, tres tipos de ARN- polimerasas  (pol. I, pol. II, pol. III).

• Iniciación.

Unos 25- 30  nucleótidos antes del inicio del gen, hay unas secuenias ricas en T y A (TATA BOX), este es el centro promotor. Para reconocerlo, se requiere la unión al ADN de proteínas llamadas factores de inicio de la transcripción(TF).Éstos son necesarios para que se una la ARN-polimerasa II  y empiece la transcripción en dirección 3'➝5'.

• Elongación.

ARN- polimerasa II  desenrolla una vuelta de hélica(se froma una burbuja) y el anzima se desliza en dirección 3'➝5' sobre la hebra molde. Así se sintetiza el ARNm  que crece en dirección 5'➝3'. Cuando ya se han sintetizado unos 30 nucleótidos, se le añade la "caperuza"(de guanosina metilada trifosfatilada) en el extremo 5', que servirá como señal de inicio en la traducción.

• Terminación.

El rpoceso termina cuando la ARN-polimerasa II  encuentra una señal de terminación (TTATTT) que se transcribe como AAUAA . Cuando se produce la separación del ARN, actuará la Poli-A y anadirá unos 200 nucleótidos de Adenina a extremo 3'.

• Maduración.

Los precursores de los tres tipos de ARN formados en el núcleo no pueden desempeñar directamente su función, tienen que sufrir un proceso llamado maduración o procesamiento postranscripcional(en el núcleo), solo si se cumple este proceso, las moléculas de ARN pueden ser transportadas al citoplasma a través de los poros nuclares.

La mayoría de los genes que codifican las proteínas etsán fragmentados,son discontinuos.Las interrupciones se llaman  intrones ( no codifican pronteínas) y las zonas que si que codifican proteínas se llaman  exones. 

La maduración es el proceso en el cual se cortan los intrones y se unen los exones, splicing.

https://www.youtube.com/watch?v=kdIXbBD42TU

La replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual a partir de una molécula de ADN progenitora se sintetizan dos moléculas hijas con la misma secuencia de ADN que el original. Tiene lugar en la fase S del ciclo celular y es necesario para que se lleve a cambio la división celular.

1.Hipótesis sobre la replicación del ADN.

• Hipótesis conservativa.

Cada hebra de la molécula de ADN original sirve como molde para sintetizar una hebra hija complementaria.Estas dos hebras se unen entre si y forman una molécula nueva y otra original.

• Hipótesis dispersiva.

La molécula de ADN original se fragmenta, cada fragmento se replica y luego se unen formando dos moléculas de ADN que tendrán fragmentos nuevos y otros procedentes de la molécula original.

• Hipótesis semiconservativa.

Las cadenas de ADN  se separan, y cada una sirve de molde para una nueva. Cada molécula resultante contiene una hebra original y otra de nueva síntesis

https://www.youtube.com/watch?v=2AEexWUHtb8&t=8s

2. La replicación en procariotas.

• Inicio de la replicación.

Comienza en una zona donde hay una secuencia de nucleótidos conocida como origen de la replicación.En ese punto las dos hebras se separan y se copian las hebras a la vez en ambos sentidos, bidireccional. El problema de esto es que una de las hebras va de 5'➝ 3' y la otra de 3'➝5', es decir, son antiparalelas. Para comenzar se necesita una pequeña cadena de ARN, el cebador. El cebador es sintetizado por la ARN- primasa. En el caso de la cadena retardada (la cadena de 5'➝3')se necesita un cebador para cada fragmento de Okazaki. En el caso de la cadena adelantada  (la cadena de 3'➝5')  solo se necesita un cebador, al principio de la cadena.

• Separación de las cadenas.

El enzima Helicasa rompe los puntes de Hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias. Los Topoisomerasas  se encargan de desenrollar la doble hélice.

• Mantenimiento de la separación de las cadenas.

Una vez separadas, se mantienen abiertas gracias a la acción de unas proteínas, las SSB y las RPA (en eucariotas), que se unen a las hebras individuales.

• Formación de nuevas hebras.

Los ADN-polimerasas van añadiendo nucleótidos. La zona donde tiene lugar la replicación se llama  burbuja de replicación  y en los extremos de esta se observa como una especie de Y llamada horquilla de replicación.

La ADN polimerasa solo puede sintetizar en sentido 5'➝3', esto provoca que en la replicación se de una cadena adelantada donde la replicación es continua y comienza a partir de un fragmento necesario de la cadena( el cebador), y otra  cadena retardada ( donde la replicación es discontinua.

El la cadena retardada la replicación se da mediante los fragmentos de Okazaki, del siguiente modo:

• Síntesis del cebador y elongación.

Para comenzar la replicación es necesario un fragmento de la cadena, el cebador (formado por un molde y un oligonucleótido).En este caso, para cada fragmento de Okazaki se genera un cebador. Sintetizado por la ARN-polimerasa o la primasa.

Este proporciona el grupo 3'-OH libre necesario para la ADN-polimerasa III  necesita para sintetizar el fragmento de Okazaki, este continúa hasta que alcanza el ARN cebador del siguiente fragmento(sintetizado previamente. En este punto para y abandona el ADN.

• Eliminación del cebador y relleno del hueco.

La ADN-polimerasa I  usa sus dos capacidades: completa el fragmento de Okazaki a la vez que elimina el ARN cebador y lo sustituye por nucleótidos de ADN.

• Ligación.

El enzima ADN-polimerasa  no puede enlazar los fragmentos de Okazaki, de esto se encarga la ADN-ligasa  que une los fragmentos mediante un enlace fosfodiéster (consumiendo energía)

https://www.youtube.com/watch?v=7Zvrc86fZl0

3. La replicación en eucariotas.

 Es muy parecida a la de eucariotas pero se diferencia en:

• Los cromosomas de las células eucariotas contienen moléculas muy largas de ADN y por ello la replicación se inicia en varios puntos a la vez, puntos de la cadena llamados replicones.

• Hay cinco tipos de ADN-polimerasas.
  

• En los cromosomas el ADN se encuentra asociado a histonas, si el ADN se duplica, las histonas también.

• El proceso de replicación se va completando hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero.Cuando se elimina el último cebador de la cadena retardada, ésta queda incompleta. La ADN-polimerasa  no puede llenar el hueco, es incapaz de sintetizar en dirección 3'➝5'. Esto hace que le telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, esto está asociado a los procesos de envejecimiento y muerte celular.

https://www.youtube.com/watch?v=0mcewnaqhUA

.

El ADN contiene el mensaje genético

1. El ADN es material genético.

1940 los genetistas pensaban que el material genético debía ser una proteína.

1944 OSWALD AVERY, COLIN MACLEOD Y MACLYN MCMACARTY, repitieron el experimento que realizó REDERICK GRIFFITH ,

       concluyeron que el ADN era material genético.

https://www.youtube.com/watch?v=4LU71ubTCZA

• La estructura de los genes.

Un gen es la unidad elemental de la herencia, la región física y funcional del cromosoma portadora de la información genética de un generación a la siguiente y responsable de conferir rasgos a organismo, y como la entidad capaz de sufrir recombinación. El gen tiene dos tipos de secuencias:una reguladora de la expresión y  una estructural(que tiene regiones codificantes llamadas exones, y regiones no codificadoras llamadas intrones)

La función de un gen supone conservar, almacenar, transmitir, expresar y regular la información genética.

• La estructura de los genes en procariotas.

Los cromosomas en procariotas suelen ser circulares y la información codificada es continua, toda la información genética contenida en un gen que se traduce en la formación de un proteína.

Algunas bacterias tienen plásmidos (moléculas de ADN más pequeñas que los cromosomas) que se pueden replicar independientemente.

• La estructura de los genes en eucariotas.

La mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo y muchos de los genes contienen infromación codificadora (exones) interrumpida periódicamente por secuencias no codificadoras (intrones).

• El flujo de la información genética.

https://www.youtube.com/watch?v=wW90gn-M4kI