MACHETE6CAMPUS2020_Expresión genética Regulación _ (3)

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LA CONTINUIDAD DE LA VIDA 
Expresión del genoma 
 
Expresión genética 
Algunos conceptos centrales: 
Gen: segmento de ADN que posee información para un producto celular con función 
específica, por ejemplo proteínas. 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 por el “dogma central de la 
biología” (concepto acuñado en 1958), tal como se diagrama en la Figura 1, donde se 
representa que el flujo de la información es unidireccional y va desde el ADN al ARN y 
a la proteína. Actualmente se conoce que además hay otros mecanismos y 
direcciones posibles, como la transcripción reversa, proceso en el que la información 
se da desde ARN al ADN. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Proceso secuencial que explica cómo fluye la información desde el ADN, 
según el dogma central de la biología, pasando por el ARN hasta llegar a la proteína. 
Posteriores descubrimientos muestran que en el caso de la transcripción inversa, la 
información pasa del ARN al ADN. 
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 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 
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/gene_expression.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/translation.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/translation.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/amino_acids.mp3
 
 
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 un paso no contemplado en el dogma, ya que la enzima 
que lo lleva a cabo se descubre años después (1970) de que se crea el dogma tal 
como lo expresa la Figura 1 y solamente pueden hacerlo cierto tipo de virus 
(retrovirus). 
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 (Figura 2). 
 
La enzima 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. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Secuencia de nucleótidos de ADN (hebra molde), su hebra antimolde 
(complementaria y antiparalela) y la molécula de ARN resultante luego de la 
transcripción. 
Proceso de la transcripción 
Es muy similar en organismos eucariontes y en procariontes. Por eso, describimos el 
proceso en líneas generales y luego veremos las diferencias entre eucariontes y 
procariontes. 
 
5´ATTCGACCGAATTT 3´ 
3´TAAGCTGGCTTAAA 5´ 
 
Hebra antimolde 
 Hebra molde 
 
 
5´AUUCGACCGAAUUU 3´ 
 
Molécula de ARN 
 
transcripción 
 
 
 
 
Figura 3. Proceso de transcripción en el cual se detalla la dirección de la acción de la 
enzima ARN polimerasa sobre la cadena molde de ADN. A medida que esta enzima 
avanza sobre las dos cadenas de ADN, lee la cadena molde y sintetiza la cadena de 
ARN hasta que reconoce las secuencias de terminación y se finaliza el proceso. 
En la Figura 3 se representan las siguientes etapas: 
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 procariontes 
PROCARIONTES EUCARIONTES 
Un solo tipo de ARN polimerasa (con 
varias subunidades) 
3 tipos de ARN polimerasa: ARN pol I, 
ARN pol II, ARN pol III (cada una 
 
 
transcribe cierto tipo de ARN) 
Promotor típico procarionte Promotor típico eucarionte 
Sin factores de transcripción Con factores de transcripción 
En el citoplasma En el núcleo 
Secuencias de terminación procariontes Secuencias de terminación eucariontes 
ARNm no maduran ni se procesan ARNm siempre se procesan 
Figura 4. Tabla comparativa del proceso de transcripción en organismos procariontes y 
eucariontes. 
Otra diferencia entre los ARN mensajeros, consiste en que los organismos 
procariontes son policistrónicos (cada ARNm tiene información para más de una 
proteína) mientras que los ARNm de los eucariontes son monocistrónicos ( cada 
ARNm tiene información para solo una proteína). 
En el caso de células eucariotas, el ARNm recién transcripto se llama “transcripto 
primario” o transcripto de ARNm, tal como lo expresa la Figura 5. 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 que luego, serán eliminadas). En la Figura 4 se detallan otras 
diferencias entre el proceso de transcripción en procariontes y eucariontes. 
 
 
 
 
 
 
 
Maduración de ARNm en eucariontes 
Son 3 modificaciones que ocurren en el núcleo, que podemos apreciar en la Figura 5: 
1- Capping 
al extremo 5´se le agrega un nucleótido modificado o 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. 
 
 
Figura 5. Proceso de maduración del ARN mensajero en organismos eucariontes. 
Traducción 
Implica el desciframiento del ARNm a una secuencia de aminoácidos. 
¿Por qué “traducción”? Porque entre ARN y proteína hay un cambio de lenguaje: de 
los nucleótidos (lenguaje del ADN) pasamos a los aminoácidos (lenguaje de las 
proteínas). Debe haber entonces, como en toda traducción, un “diccionario o traductor” 
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. 
Si hacés click en el siguiente concepto, podrás escuchar un audio 
descriptivo: código genético. 
El código genético, 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 varios codones distintos que codifican el mismo 
aminoácido (ej: CCA – CCC – CCU – CCG codifican todos para prolina). Estos 
codones son sinónimos. 
- no es ambiguo: a cada codón le corresponde un y sólo un aminoácido. 
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/genetic_code_acgt.mp3
 
 
De todos los codones que presenta el código, destacamos: 
- AUG que codificapara metionina. Es el codón que marcará el inicio de la 
traducción. 
- UAG, UGA, UAA que son los codones de terminación, señalan el fin de la 
traducción. 
Repasemos algunas características de los tres tipos de ARN: 
Como se representa en la Figura 6, tenemos: 
ARNm 
✔ lleva en su secuencia de nucleótidos, la información para una secuencia de 
aminoácidos. 
✔ a cada conjunto de tres nucleótidos consecutivos se los llama codón o triplete. 
Un codón codifica para un aminoácido. 
ARNr 
✔ hay distintos tipos de ARNr que se distinguen fundamentalmente por su 
tamaño. 
✔ se asocian con proteínas ribosomales y constituyen así los ribosomas. 
✔ los ribosomas están formados por dos subunidades, la mayor y la menor. Son 
el lugar físico de la síntesis proteica. 
ARNt 
✔ tiene bases modificadas químicamente. 
✔ está plegado en forma de trébol. 
✔ tiene un anticodón (audio definición del “anticodón”), que será complementario 
a algún codón del ARNm. 
✔ transporta los aminoácidos hacia el ribosoma. 
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/anticodon.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/anticodon.mp3
 
 
 
Figura 6. Diferentes tipos de ácidos ribonucleicos (ARN). A la izquierda, se presenta el 
ARN mensajero, en el centro el ARN de transferencia dispuesto en forma de hoja de 
trébol y a la derecha el ARN ribosómico o ribosomal compuesto por la subunidad 
mayor de 60s y la subunidad menor de 40s. 
 
¿En qué consiste la traducción? Dado un cierto ARNm, la secuencia se comienza a 
leer desde el extremo 5´ hacia el 3´ buscando el primer codón AUG que aparezca: allí 
comenzará la traducción (Figura 7). 
Se irán leyendo progresivamente los codones y traduciendo a aminoácidos hasta que 
aparezca un codón de terminación. 
Veamos un ejemplo: 
 
 
 
 
 
 
Figura 7. Ejemplo de secuencia de ARNm que es traducida a una proteína desde el 
primer codón AUG (codón de iniciación) hasta el codón de terminación. 
 
5´CCUAGAUGCCCUUUGCAGGCUAACCCU 3´ 
 
Met- pro – fen –ala – gli – 
terminación 
ARNm 
 
Proteín
a 
traducción 
 
 
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 (Figura 8). 
 
1. Iniciación: a la subunidad menor del ribosoma se une el ARNm y el primer 
ARNt o 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. 
2. 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 
peptídico, traslocación, etc. Se repite hasta que al sitio A ingresa un codón de 
terminación. 
3. 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. 
 
 
 
 
 
 
Figura 8. Proceso de traducción y sus etapas: iniciación, elongación y terminación. 
Diferencias en la traducción procariontes y eucariontes: 
En procariontes la traducción es co-transcripcional. Esto significa que es simultánea 
con la transcripción debido a que ambos procesos (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 
 
Ribosoma 
(subunidad 
 
 
Ribosoma 
(subunidad 
ARNt Iniciador Iniciación 
Elongación 
Terminación 
Polipéptido 
Aminoácido 
 
 
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). 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 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. 
A continuación, podrán escuchar un programa de radio (2009), relacionado con la 
diferenciación celular. 
¿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 (Figura 9). 
 
 
 
https://www.ubaxxicampusvirtual.uba.ar/pluginfile.php/499951/mod_resource/content/2/PGM%2005%20-%20Diferenciacion%20celular.mp3
 
 
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. 
 
Figura 9. Secuencia de ADN en procariotas: se señala su regulador y operón 
(compuesto por el promotor, el operador y los genes estructurales). El regulador 
codifica para una proteína “represora”. 
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 
genesestructurales en este ejemplo dependerá de si hay o no lactosa presente para 
degradar. ¿Qué ocurriría en ambas situaciones? 
 
 
Proteína 
represora 
 
 
OPERÓN 
 
 
 
Sin lactosa presente 
Sin lactosa, la proteína represora activa se une al operador del operón lac. De esta 
forma inhibe la síntesis de la enzima que degrada la lactosa (Figura 10). 
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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. Representación del operón lac sin lactosa presente y el mecanismo por el 
que se inhibe la síntesis de la enzima que degrada la lactosa. 
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 (Figura 11). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11. Con lactosa presente, la proteína represora se inactiva. La ARN polimerasa 
accede a los genes estructurales e inicia la transcripción. El ARN obtenido se traduce 
a una enzima capaz de 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. Hay de dos tipos, los factores de transcripción 
basales permiten que la ARN pol reconozca eficazmente al promotor. Los factores de 
transcripción específicos se relacionan o unen en secuencias reguladoras del ADN y 
regulan 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 y la selección de exones 
que queden o se eliminen. 
 
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.