1.7: Expresión Génica- Ejemplo Aplicado (Parte 1)
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Al finalizar esta lección deberías ser capaz de:
- Definir los papeles del ADN y las proteínas en el desarrollo celular y el metabolismo
- Determinar la secuencia de aminoácidos de una proteína dada la secuencia de nucleótidos de un gen.
- Describir los roles que desempeñan el promotor, la región codificante y la secuencia de terminación de un gen en la expresión génica.
- Reconocer las diferencias entre la estructura de proteínas, aminoácidos, genes y nucleótidos.
- Dibuja el proceso de expresión génica e incluye lo siguiente en tu dibujo. Gen, ARN polimerasa, promotor, región codificante, secuencia de terminación, célula, núcleo, citoplasma, ARNm, ARNt, ribosoma, anticodón, codón, aminoácido, proteína, enlace peptídico.
Has aprendido este dato fundamental de la biología: los genes proporcionan la información para instruir a las células a construir proteínas específicas y estas proteínas controlan el desarrollo y el metabolismo celular. Algunos biólogos se refieren a este hecho como el “Dogma Central”. Preferimos referirnos a este proceso como expresión génica. Esta lección integrará este fundamental de biología con algunos ejemplos de expresión génica. Estos ejemplos enfatizan una idea biológica fundamental adicional de que la vida es un ciclo continuo. Para que las células vivas vivan, requieren los genes, ARN y proteínas que provenían de células vivas anteriores.
Ejemplo #1: Expresión génica del gen de la enzima acetolactato sintasa vegetal
Hemos seleccionado este gen porque la proteína que codifica el gen es el sitio diana para varios tipos de herbicidas y por lo tanto es un ejemplo importante en la agricultura. El gen también ilustra un importante concepto de círculo de vida. Todos los seres vivos necesitan aminoácidos para construir proteínas y algunos seres vivos necesitan proteínas para construir aminoácidos.
El gen ALS no se encuentra en animales sino que se encuentra en plantas y bacterias. Las plantas y las bacterias son capaces de producir todos sus propios aminoácidos. Los animales deben consumir un subconjunto de los 20 aminoácidos (ver Lección de Traducción) en su dieta. Un gen que todas las plantas y bacterias deben tener para vivir codifica la enzima acetolactato sintasa (ALS). La enzima ALS permite a las plantas hacer su propio suministro de tres de los 20 aminoácidos; leucina, isoleucina y valina. La proteína ALS es una enzima y es necesaria para catalizar una reacción en la vía química que produce estos tres aminoácidos. Detallemos los pasos de transferencia de información necesarios para la expresión génica: usar el código genético de las secuencias de ADN en el gen para codificar la secuencia de aminoácidos de la enzima ALS.
Tres partes del gen y un proceso de dos pasos
El gen ALS consta de varios miles de nucleótidos de ADN y como todos los genes tiene tres partes principales, el promotor, la región codificante y las secuencias de terminación (Figura 1, secuencia génica abreviada para demostración).
Cada parte del gen ALS juega un papel en el control de la expresión génica y este es un proceso de dos partes. El promotor es el interruptor de encendido/apagado del gen, la región codificante determina la secuencia de aminoácidos de la proteína que se hará y la secuencia de terminación señala dónde termina la información del gen. La secuencia de ADN que conforma un gen es parte de un cromosoma mucho más grande de ADN continuo. La secuencia génica se organiza para hacer una copia de ARN (ácido ribonucleico) de la secuencia de nucleótidos del gen para servir como un mensaje móvil para la construcción de proteínas. La construcción de ARN se llama transcripción porque los nucleótidos de ADN codifican nucleótidos de ARN.
Paso 1: Transcripción: control a partir de la secuencia promotora y de terminación
El papel del promotor es activar selectivamente el gen ALS en células que necesitarán la enzima ALS. El promotor logra esto por sus secuencias nucleotídicas específicas que reaccionan con moléculas reguladoras en la célula. Más adelante discutiremos la regulación de la expresión génica con más detalle. ¿Qué células de una planta necesitarán la enzima ALS? Todas las células que están fabricando proteínas. Estas serán todas las células de la planta en alguna etapa de desarrollo. Por lo tanto, el gen ALS tiene una secuencia promotora que permite que el gen se encienda en todo tipo de células. Cuando se enciende el gen ALS, se puede llevar a cabo la transcripción. Como la mayoría de la química en la célula, las enzimas serán necesarias para la expresión génica. La ARN polimerasa es la enzima de transcripción (Figura 2) que se unirá a las secuencias de ADN en el promotor ALS e interaccionará con una cadena del gen (la cadena codificante).
La ARN polimerasa funciona moviéndose a lo largo del promotor génico hasta que encuentra una serie de nucleótidos A y T llamados caja TATA (Figura 3). La caja TATA señala a la ARN polimerasa que ha llegado al final del promotor. Ahora la enzima tiene la “luz verde” para leer el ADN de la cadena codificante y hacer ARN. El procedimiento funciona de manera muy similar a la replicación del ADN. La ARN polimerasa leerá el ADN en dirección 3' a 5' y construirá el ARN 5' a 3'. Sin embargo, a diferencia de la replicación del ADN, solo se lee una cadena de ADN y el proceso de transcripción debe terminar una vez que la ARN polimerasa alcanza el final del gen ALS. Si la ARN polimerasa seguía yendo a lo largo de esa hebra del ADN que compone el cromosoma, otros genes que están en el mismo cromosoma podrían expresarse en las células equivocadas o en los momentos equivocados.
¿Cómo se señala a la ARN polimerasa que ha llegado al final del gen? Ese es el papel de una secuencia de terminación en el gen (Figura 4). Las secuencias de terminación señalan el final del gen. Aquí se describirá una estrategia de terminación de la transcripción. Los nucleótidos que componen la secuencia de terminación del gen ALS podrían ordenarse para formar un palíndromo. Esto significa que los nucleótidos que se colocan en el ARN pueden plegarse sobre sí mismos y formar un bucle en horquilla (Figura 5).
Si bien ningún genetista ha visto realmente esta formación de bucle de horquilla en acción, se cree que la formación de horquilla rompe la ARN polimerasa de la cadena codificante de ADN y libera el mensaje de ARN. Ahora se completa la transcripción de un ARN que tiene la información de la región codificante. Cada vez que una ARN polimerasa pasa por el proceso, se realiza una copia del ARN leyendo el molde de ADN. El tipo de ARN hecho a partir de la transcripción del gen ALS se denomina ARN mensajero o ARNm para abreviar. Algunos genes pueden codificar ARN de transferencia (ARNt) o ARN ribosómico (ARNr). Estas moléculas de ARN tienen papeles especiales en la siguiente parte de la expresión génica llamada traducción. Una vez transcrito un ARNm, se producirán algunas modificaciones en el núcleo. Describiremos algunos de los procesos postranscripcionales más adelante. Por ahora, sigamos el ARNm de ALS en el paso de traducción de la expresión génica.
Vea este video de UNL para obtener más información sobre el proceso de transcripción
Paso 2: Traducción: leer el código para elaborar proteínas
El proceso de traducción requiere una conversión de información de una cadena de nucleótidos en ARN a una cadena de aminoácidos en proteína. El término de traducción se acuñó a partir de la idea de que estamos convirtiendo a un nuevo lenguaje molecular en esta etapa de expresión génica. La conversión de información en la traducción es un poco más compleja que la transcripción y requiere de varias biomoléculas para interactuar y trabajar juntas (Figura 7). Describiremos primero los ribosomas y las moléculas de ARNt y luego describiremos cómo funcionan juntos para traducir un ARNm.
- ARNt: El prefijo 't' significa transferencia. El ARNt es un ARN pequeño (70 a 80 nucleótidos) y tiene una secuencia que permite formar horquillas lo que da una estructura secundaria a la molécula. Su pequeño tamaño los hace móviles para proporcionar a las células medios para transferir aminoácidos al sitio de construcción de proteínas. Su estructura también los hace específicos en la forma en que entregan su carga de un solo aminoácido específico. Un ARNt es aproximadamente 50 veces más grande que un aminoácido.
- Ribosomas: Los ribosomas son macromoléculas que están hechas tanto de ARN (ARNr) como de proteínas. Estos componentes se ensamblan en un banco de trabajo para que se produzca el proceso de traslación. El ribosoma es una macromolécula grande: puede mantener tres ARNt en posición para el trabajo de traducción y puede catalizar la ruptura de enlaces y la formación de enlaces.
Utilizaremos una representación simple del ARNm, ARNt, ribosoma y aminoácido para mostrar cómo funcionan juntos (Figura 6).
Los ARNt mostrados en la Figura 6 no están listos para su traducción. La estructura del ARNt es reconocida por enzimas especiales en la célula que unen el aminoácido apropiado a los ARNt. Los ARNt que están unidos a su aminoácido designado se denominan ARNt cargados (Figura 7). La cerca de la mitad de los 70-80 nucleótidos en un ARNt son tres nucleótidos llamados anticodón. Cuando el ARNt se pliega, el anticodón se convierte en un extremo de la molécula y el otro extremo se unirá a un aminoácido específico. En las figuras para esta lección, se muestra el ARNt con su estructura secundaria y solo se muestra la secuencia anticodón (Figura 7).
Vamos a describir cómo los actores clave inician la construcción de proteínas, cómo la mantienen y cómo la terminan. Los ribosomas activos se ensamblan a partir de subunidades pequeñas y grandes cuando el “banco de trabajo” de ribosomas está listo para traducir un ARNm (Figura 7). Cuando los ARNm están presentes en el citoplasma, las subunidades de ribosomas pequeñas y grandes se ensamblan en el extremo 5' de estos mensajes y están listas para leer los ARNm como planos para construir proteínas específicas.
El ribosoma lee el ARNm de forma rápida y precisa, pero debe determinar por dónde empezar. A medida que el ribosoma se mueve en la dirección 5' a 3' a lo largo del ARNm, “busca” la secuencia AUG (Figura 7). Esta secuencia se denomina codón de inicio y señala al ribosoma que aquí es donde comenzar a construir la secuencia de la proteína.
Vea este video de la UNL sobre Traducción para obtener más información sobre estos procesos.
El Marco de Lectura, Codones y Anticodones
Los ARNm, ARNt, ribosomas y aminoácidos están ahora en posición de combinar sus funciones específicas en la construcción de una proteína. El codón de inicio AUG establece el inicio de lo que se denomina marco de lectura en un ARNm. Los nucleótidos en el ARNm deben tener la especificidad para codificar 20 aminoácidos diferentes para construir la proteína. El código genético se lee como un código de tres letras que proporciona esta especificidad. El ribosoma se moverá y leerá la secuencia en el ARNm un codón (tres nucleótidos) a la vez para seguir el marco de lectura y construir la proteína correcta (Figura 8).
Cómo comenzar la traducción con el codón de inicio
El codón de inicio AUG indica que el ribosoma se coloque en el aminoácido metionina. Los sitios A, P y E en el sitio del ribosoma funcionan como un vicio en el banco de trabajo, manteniendo las cosas en su lugar para que se pueda trabajar en él. En la Figura 9, el ribosoma se ha movido en la dirección 5' a 3' en el mRNA. Esto permitió que un ARNt con el anticodón GGG se moviera al sitio A y colocó dos aminoácidos muy cerca uno del otro en el ribosoma. El ribosoma ahora moverá un codón más en la dirección 5' a 3' que mueve los dos ARNt ahora a los sitios E y P (Figura 9). Ahora el ribosoma está listo para comenzar a unir aminoácidos con enlaces peptídicos para comenzar a formar una proteína. Un tercer ARNt (con el anticodón CCC) ahora puede llegar al sitio A abierto, trayendo el aminoácido designado por el codón GGG.
Formación de enlaces peptídicos y construcción de proteínas
Como puede ver, un “banco de trabajo” ribosómico tiene herramientas catalíticas para acompañar sus “sitios vice” 'P' y 'A'. El ribosoma tiene funciones enzimáticas que le permiten romperse y formar enlaces. El ribosoma romperá el enlace que une el aminoácido al ARNt en el sitio 'E'. Simultáneamente, el ribosoma forma un enlace peptídico entre el segundo y el tercer aminoácido que fueron introducidos por los ARNt. La proximidad cercana de estos aminoácidos en los sitios ribosómicos brinda la oportunidad de formación de enlaces peptídicos y luego liberación del ARNt en un proceso continuo suave (Figura 10 y 11). Los enlaces peptídicos siempre unen el extremo ácido de un aminoácido con el extremo amino del siguiente aminoácido. Los enlaces peptídicos son enlaces covalentes fuertes que mantienen los aminoácidos conectados durante y después de la traducción. El ARNt en el sitio 'E' ha logrado ahora su tarea al incorporar el primer aminoácido. Este ARNt se moverá entonces fuera del ribosoma (Figura 11). El ARNt liberado de un ribosoma es reciclado por la célula. Se puede cargar de nuevo uniendo otro aminoácido en el citoplasma y contribuir a la síntesis de otra proteína. La proteína. Ahora se han reunido los tres primeros aminoácidos de la proteína.
La síntesis de nuestra proteína está lejos de terminar. El ribosoma continúa desplazando un codón en la dirección 5' a 3' a medida que un ARNt abandona el sitio E. Un ARNt ahora puede entrar en el sitio A si tiene el anticodón que es complementario al siguiente codón en el ARNm. Las proteínas tienen cientos de aminoácidos de largo. En nuestro ejemplo, los pasos descritos continúan hasta que se lee la información completa del ARNm para construir la enzima ALS de 667 aminoácidos de longitud.
El fin de la traducción: detener a los codones en busca de algo que no pueden encontrar
Los codones de inicio inician la traducción así que es lógico que los codones detengan la traducción (Figura 11) ¿Cómo hacen esto los codones de parada? Existen 61 ARNt con diferentes anticodones (ver Apéndice 1: Tabla de Codones). Eso significa que hay tres codones que no tienen los ARNt correspondientes con anticodones complementarios. Estos tres codones sirven como codones de parada. Cuando un ribosoma encuentra un codón de parada en un ARNm, esperará a que llegue un ARNt con el anticodón derecho. No se saltará el codón ni se desplazará sobre un nucleótido para formar un nuevo marco de lectura. El ribosoma espera el ARNt correcto, pero no espera mucho. Un ribosoma estancado escindirá rápidamente el ARNt unido con la cadena proteica recién construida y luego pasará a traducir otro ARNm. Ningún ARNt en la célula tiene anticodones que complementen ninguno de los tres posibles codones de parada. Por lo tanto, los codones de parada son capaces de terminar el proceso de traducción cuando se elabora la proteína terminada.
Secuencia, estructura y función
En el caso de nuestra proteína ALS, el ensamblaje de los 667 aminoácidos en la cadena polipeptídica o proteica en el orden correcto es importante porque la secuencia de los aminoácidos determina cómo se pliega la proteína. La estructura plegada de la proteína determina su función. Si se cambian algunos aminoácidos y la estructura cambia, la ELA no funcionará correctamente como enzima en las células vegetales o microbianas.
Los organismos utilizan el proceso de transcripción para producir ARNm como una molécula temporal para transportar información de codificación de proteínas de un gen. El proceso de traducción lee el ARNm y hace que la proteína pretendida, un aminoácido a la vez. Este proceso es controlado por el promotor del gen para asegurar que las proteínas se elaboran en las células adecuadas en el momento adecuado para impulsar el crecimiento, desarrollo, metabolismo, respuesta al estrés y otros procesos necesarios para completar el ciclo de vida del organismo.
Vea este video de UNL para una descripción general de Transcripción y Traducción.
Círculo de Vida y Expresión Génica
Revisemos la idea de que la expresión génica funciona porque las células vivas dan lugar a más células vivas. Imagínate cuando eras solo un cigoto de una sola célula con una copia de todos los genes en el genoma humano de tu madre biológica y una copia de tu padre biológico. ¿Qué más necesitáis obtener de tus padres antes de poder expresar tu primer gen y construir tu primera proteína? Necesitabas tener ya una ARN polimerasa en el núcleo de la célula para transcribir tu primer gen y necesitabas tener ribosomas, ARNt y aminoácidos listos para traducir ese ARNm en el citoplasma. Por suerte, el óvulo de tu madre tenía los 23 cromosomas humanos más todas estas biomoléculas de expresión génica. Posteriormente, podrías activar tus propios genes para ARN polimerasa, ARNt y ribosomas pero el óvulo de tu madre era un ambiente de vida que te permitía comenzar tu vida.
Una planta tratada con un herbicida que se une y bloquea la acción de la enzima ALS demuestra igualmente que la expresión génica tiene un ciclo de dependencia de las células vivas. Las plantas pequeñas en un ambiente de crecimiento rápido tendrán su crecimiento detenido por los herbicidas de unión a ALS. Las plantas no mueren por el herbicida, simplemente dejan de crecer. La razón de esto es que las plantas necesitan construir nuevas proteínas para crecer y para construir nuevas proteínas necesitan la enzima ALS para funcionar y construir nuevos aminoácidos de leucina, isoleucina y valina. Las plantas tratadas con herbicidas ALS dejan de producir estos tres aminoácidos y la traducción se detiene para cada proteína en la célula que requiera al menos uno de estos aminoácidos. Los seres vivos necesitan aminoácidos para construir proteínas y las plantas y microbios necesitan la enzima ALS para construir tres de los aminoácidos. La siguiente lección (Expresión génica parte 2) aplicará los principios de expresión génica de esta lección a la observación de que algunas plantas pueden ser resistentes a herbicidas inhibidores de la ELA.