Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-66

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E x p r e s ió n y r e g u la c ió n d e lo s g e n e s 2 2 3
Po r consigu ien ie. e l trip lete U l IU debe especificar la fenilalan i- 
n a . C o m o e l có d ig o g en é tico fue d escifrado p o r m e d io d e estos 
A RN 'm artific ia les, no rm a lm en te se escribe co n tripletes d e bases 
e n el A R N in (m ás q ue e l A D N ) q ue co d ifican cada am in o ác id o 
(Tab la 12-3). Estos tripletes de A R N m se llam an co d o n cs .
¿ Q u é pasa c o n la p u n tu ac ió n ? ¿C ó m o reconoce u n a célu la 
d ó n d e em p iezan y d ó n d e te rm in an los codones? l a traducción 
com ienza con el co d ón A U C , lla m a d o adecuadam ente ro d ó n de 
in ic io . C o m o A U C cod ifica tam b ién e l am in o ác id o m etio n in a , 
todas las p rote ínas co m ienzan co n m e tio n in a (a u n q u e p uede ser 
re tirado después d e s in te tiza r la p ro te ín a ). Tres codones ( I IA G , 
U A A y U C A ) son co d o n e s d e té rm in o o d e a lto . C u an d o el 
ribosom a encuentra un co d ón d e térm ino , lib e ra la p rote ína re­
c ién s in te tizada y e l A R N m . C o m o todos los codones co n stan de 
tres bases y se especifican el p r in c ip io y el f in a l d e un a proteína, 
n o hace fa lta agregar pun tuac ión ( 'e s p a c io s ') en tre los codones. 
¿ P o r qué? C o ns id erem o s lo q ue ocu rriría s i e n caste llan o só lo h u ­
b ie ra palabras co n tres letras; u n a frase co m o V A N l.O S D O S P O R - 
PA N sería perfectam ente com prensib le , au n s in espacios e n tre las 
palabras.
i*uesto q u e e l cód igo g en é tico tien e tres codones d e térm i­
n o , quedan 6 1 trip le tes d e nucleó tid os para especificar só lo 2 0 
am inoác idos. Así, casi todos los am inoác idos están especificados 
p o r varios codones; p o r e jem p lo , seis codones (U U A , U U G , C U U , 
C U C , C U A y C U G ) especifican la leucina ( véase la T ab la 12-3). 
S in em bargo, cada co d ón especifica un, y só lo un, am inoác ido . 
U U A especifica siem pre la leucina, nunca iso leu d n a , g lic in a n i 
n in g ú n o tro am inoác ido .
¿C ó m o d irigen los codones la s ín tesis d e p ro te ínas? Desci­
frar los codones d e l A R N m es tarea d e l A R N t y d e los ribosom as. 
Recuerda que e l A R N t transporta los am in o ác id o s a los riboso­
m as y q ue h a y m o lécu las peculiares d e A R N t q ue lle va n ca d a tipo 
d iferen te d e am in o ác id o . C ad a u n o d e estos A R N t exclusivos tie ­
ne tres bases expuestas, llam adas a n d e o d o n e s , q ue son com p le ­
m entarios d e las bases de u n ro d ó n e n e l A R N m . P o r e jem p lo , 
e l co d ó n del A R N m C U U fo rm a pares d e bases con e l an tico d ó n 
C A A o u n A R N t q u e tien e e l am in o ác id o va lina u n id o a su ex­
trem o . C o m o verem os e n la secc ión 12.3, u n r ibosom a puede 
entonces incorporar la va lina a un a cadena d e am inoác idos en 
crecim iento.
12.2 ¿C Ó M O S E T R A N S C R IB E LA 
IN F O R M A C IÓ N D E U N G E N EN A R N ?
1.a transcripción (F IG U R A 12-3) consta d e tres etapas: (1 ) in ic ia ­
ción , ( 2 ) e longación y ( 3 ) te rm inación . Batas tres etapas correspon­
den a las tres partes principales de casi todos los genes d e euca­
riontes y procariontes: ( 1 ) u n a región prom otora a l in ic io d e l gen, 
d onde com ienza la transcripción, ( 2 ) e l 'c u e rp o ' del gen, donde 
ocurre la e longación d e la hebra d e A R N , y (3 ) u n a señal d e term i­
nación a l fina l del gen, d o n d e se concluye la síntesis d e l A R N .
La transcripción com ienza cuando la A R N 
polim erasa se enlaza al prom otor de un gen
i a enz im a A R N p o H m e ra sa sintetiza el A R N . Para in ic iar la trans­
cripción, la A R N polim erasa debe loca lizar p rim ero el com ienzo 
d e u n gen. C erca d e l com ienzo d e to d o gen h a y una secuencia s in 
transcrib ir d e A D N llam ada p ro m o to r. E n las célu las eucariontes, 
u n p rom otor consta de dos regiones principales: ( 1 ) un a secuencia 
corta d e bases, muchas vetes TA TA A A , que en laza la A R N po lim e­
rasa, y ( 2 ) un a o m ás secuencias diferentes, llam adas sitios d e enla- 
a r d e los (actores d e transcripción o e lem entos d e respuesta. C u an ­
d o ciertas proteínas celulares, llam adas factores de transcripción, se 
unen a u n o de estos sitios de enlace, refuerzan o suprim en e l enlace 
d e la A R N polim erasa con el p rom o to r y, así, refuerzan o suprim en 
la transcripción d e u n gen. Regresaremos a este im portante tema 
d e la regulación d e los genes e n la sección 12.5.
12-3
Segunda basa
G 2
u c A G
uuu Fenllalanina (Phe. F) UCU Serina (Ser, S) UAU Tirosina (Tyr, Y) UCU Cisteína (Cys. C)
uuc Fenllalanina UCC Serina UAC Tiros ma UCC Ctttelna
UUA leucina (le u , L) UCA Serina UAA Alto UCA Alto
UUG Leucina UCC Serina UAC Alto UCC Triptófano fTrp. W)
CUU leucina CCU Prolina (Pro , P) CAU Histldina (Hts. H) CCU Argin lnaíA rg. R)
cu c Leucina c c c Prollna CAC Hktkflna CCC Arginlna
CUA Leucina CCA Prolina CAA Glutamina (G ln, Q) CCA Arglnlna
CUG leucina CCC Prolina CAC Glutamina CCC Arg mina
AUU isoleucina (lie, 0 ACU Treonina (Thr, T) AAU Aspargtna (Asp, D) ACU Serina (Ser. S)
AUC isoleucina ACC Treonina AAC Aspargina ACC Serina
AUA isoleucina ACA Treonina AAA usina (ly s . K) ACA Arglnlna (Arg. R)
AUC Metionina (Met, M ) Inicio ACG Treonina AAC Usina ACC Arginlna
CUU Valina (Val. V) CCU Ala nina (A la. A) CAU Acido asp lrtlco (Asp, D ) CCU Glicina (C ly. Q
CUC Valina CCC Alanina CAC Acido as p in ico GCC Glicina
CUA Valina CCA Alanina CAA Acido gluUm lco (Clu. F) CCA Glicina
CUC Valina GCC Alanina CAC Acido glutim lco CCC Oleína
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2 2 4 I T T T T T O n H e r e n c ia
► R G U R A 12-3 L a tra n s c rip c ió n es 
la s ín te s is d e A R N a p a r t ir d e las 
in s tru c c io n e s d e l A D N Un gen es un
segmento del AON de un cromosoma. Una 
de las hebras de ADN se uiUiza de molde 
para la síntesis de la molécula d e ARN con 
bases complementarlas d e las bases en la 
hebra de a d n .
P R E G U N T A 9 la otra hebra d e ADN de 
esta molécula fuera una hebra molde,
¿en qué dirección se moverla la ARN 
polimerasa?
ARN
hobra m oldo do AD N
© Elo n g ació n : la A R N p o lm erasa recorre la heb ra m olde d e AD N (azu l); d esen ro la lo dob le 
hé lice d e AD N y sintetiza A R N catalizando la ad ic ión d e n u d e ó tk k » d e ribo6a a un a m olécula 
d e A R N (ro jo ). Lo a nu deób dos del A R N son com plem éntanos d e la heb ra m olde del ADN.
O b iic la c ló n : b A R N p olim erasa se en laza a la reg ión del prom otor del A D N , ce rca del inicio 
d e un gen, y separa la dob le hé lice c e rc a del prom otor.
0 Term inación : d fin a l dol gon , la A R N pohm orasa encuen tra una so cu o n d a do ADN 
llam ada señal d e term inación. L a A R N p olim erasa se desprende del AD N y libera la m olécula 
d e A RN .
arn m n M i
0 C onclusión d e la tran scrip ció n : después do la tormén ac ió n , e l AON so o nro la 
com pletam ente en form a d e d ob le hófece. L a m o lécu la d e A R N queda libre y p asa del núcleo 
a l citoplasm a poro la traducción y la A R N polim erasa puede k a otro gen p era vo lve r a in ic ia r 
lo transcripción.
C u a n d o la A R N p o lim erasa se un e co n la reg ión d e l p ro­
m o to r d e u n gen , la d ob le h é lice d e l A D N a l co m ien z o del gen se 
d esen ro lla y co m ienza la transcripción (F IG U R A 12-3 0 ) .
La elongación produce una cadena 
de A R N alargada
l a A R N polimerasa recorre un a de las hebras d e l A D N , la h eb ra 
m o ld e , y sintetiza una hebra ún ica d e A R Ncon bases com p lem en ­
tarias de la hebra d e l A D N (R G U R A 12-3 0 ) . A l igual q ue la A D N
polim erasa (ufase la pág ina 211 ), la A R N polim erasa siem pre reco- 
n e la hebra m o lde d e l A D N em pezando p o r el ex trem o 3 ' d e un 
jptn hacia e l extrem o 5 '. E l em pare jam ien to d e bases en tre e l A R N 
y el A D N es el m ism o que entre dos hebras d e A D N , sa lvo porque 
d u ra d lo e l A R N se em pare ja co n la ad en ina d e l A D N (téose la 
T ab la 12-1).
Tras agregar unos 10 nucleó tid os a la cadena d e A R N e n cre­
c im ien to , los p rim eros n u d e ó tid o s d e la m o lécu la d e A R N se 
separan d e la h eb ra m o ld e d e l A D N . Es ta separac ión p erm ite a las
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Expresión y regulación de los genes 225
dos hebras en ro lla rse e n la fo rm a de u n a d o b le h é lice (F IG U R A
12-3 © ) . C o n fo rm e la transcrip c ión sigue a largando la m o lécu la 
d e l A R N , un extrem o d e ésta deriva d e l A D N , m ien tras q ue la 
A R N polim erasa m an tien e el o tro extrem o u n id o a la hebra m o l­
d e d e l A D N (fig u ra 12-3 © y F IG U R A 12-4).
La transcripción se detiene cuando la ARN 
polim erasa llega a la señal de term inación
L a A R N polim erasa con tin úa p o r la h eb ra m o ld e del gen hasta que 
llega a u n a secuencia d e bases de A D N conoc ida co m o se ñ a l de 
term inación . E n este punto , la A R N polim erasa suelta la m olécula 
com pleta de A R N y se despega del A D N (R G U R A 12-3 © y © ) . La 
A R N polim erasa q ueda lib re para un irse a la región d e l p rom o to r 
d e o tro grn y s in te tiza r otra m o lécu la de A R N .
S ín t e s is d e l A R N m e n s a je ro e n p ro c a r io n te s 
Los genes procariontes son p o r lo regular compactos. To do s los 
n u deó tido s de u n gen cod ifican los am ino ád d o s de un a proteina. 
M á s aún , casi todos los genes d e u n a v ía m etabólira se asientan 
extremo co n extrem o en e l a o m o so m a (F IG U R A 12-Sa). Po r tanto. 
Lis célu las procariontes transcriben frecuentem ente un A R N m ún i­
co y m u y largo a partir d e un a serie d e genes contiguos. C o m o las 
célu las p rocariontes n o tienen un a m em brana nuclear que separe 
su A D N d e l d to p lasm a (ufas* la figura 4-19), la transcripdón y 
la traducción n o están separadas n i e n e l esp ado n i e n el tiem po. 
En la m ayo r parte d e los casos, cuando un a m o lécu la de A R N m 
com ienza a separarse del A D N durante la transcripdón, los ribo- 
somas com ienzan d e in m ed ia to a traducir el A R N m e n proteínas 
(R G U R A 12-Sb).
12.3 ¿C Ó M O S E T R A N S C R IB E LA S E C U E N C IA 
D E B A S E S D E L A R N M E N S A JE R O EN 
P R O T E ÍN A S ?
La síntesis del A R N m ensajero d ifiere entre 
procariontes y eucariontes
FJ p rim er paso para s intetizar un a p rote ína es p ro d u d r un a m o­
lécula d e A R N m ensajero co n la secuencia d e bases espedficada 
p o r el gen que codifica la secuenc ia d e am in o ád d o s d e la proteína, 
la s célu las procariontes y eucariontes varían considerab lem ente en 
cuanto a có m o producen un a m o lé a ila f iin r io n a l d e A R N m a par­
tir de las insu ucdo nes d e s u A D N .
A F IG U R A 12-4 L a t r a n s c r ip d ó n d e l A R N e n a c c ió n En esta 
m icrografia electrónica se muestra el avance de la transcripción del 
ARN en el óvulo d e una rana con garras africana. En cada estructura 
arboriforme, e l 'tro n co ' d d centro e s el ADN y las 'ram as ' son 
moléculas de ARN. Una serle de moléculas d e ARN polimerasa (muy 
pequeñas para ser vistas en esta m icrografia) recorren el ADN y 
sintetizan ARN al pasar. El com ienzo d e l gen está a la Izquierda. Las 
moléculas cortas de ARN de la Izquierda han comenzado a formarse; 
las m oléculas grandes de ARN de la derecha están casi terminadas.
P R E G U N T A ¿Ftor qué crees que se sintetizan tantas moléculas en 
el mismo gen?
gen q ue regula los 
socuoncias do ADN
ÍW31.41T
' W t
gon 1 gen 2 gon
genes q ue codifican enzim as 
a i un a única v ía m etabólica
(a ) O rgan ización do lo s g en es on un crom osom a p rocario n te
ARNm
ribo soma
*>)
ARNm
protoina 
rfbosoma
y trad u cció n sim u ltáneas en p rocario n tes
A F IG U R A 12-5 S ín te s is d e l A R N m e n s a je ro e n la s cé lu la s 
p ro c a r io n te s ( a ) En las células procariontes. muchos genes o todos 
ios de una via metabólica completa se encuentran lado a lado en el 
cromosoma, (b ) La transcripción y traducción son simultáneas en las 
procariontes. En la micrografia electrónica, la ARN polimerasa (que 
no se distingue con este aumento» se mueve de Izquierda a derecha 
en una hebra de ADN. Al tiempo que sintetiza una molécula de ARN 
mensajero, los ribosomas se unen al ARNm y com ienzande Inmediato 
a sintetizar una proteina (no visible). El diagrama que está ab«t|o d e la 
micrografia muestra las principales moléculas Involucradas.
t i ld o 
del gen
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226 IT T Ü T »?n Htrcriiia
S ín tes is d e l A R N m ensa jero en eucarion tes 
En contraste, e l A D N d e los eucariontes está con ten ido e n e l nú- 
deo , m ientras q ue los ribosom as residen e n e l a top lasm a. Asim is­
m o, los genes que codifican las proteínas necesarias para un a vía 
metabólica e n los eucariontes n o se agrupan co m o e n los proca- 
riontes, s in o que pueden estar dispersos e n varios crom osom as. 
Po r ú ltim o , cada gen eucarionte consta de dos o m ás segmentos 
d e A D N con secuencias d e nucleótidos q ue cod ifican un a proteína, 
in terrum pidas p o r otras secuencias d e nucleótidos q ue n o se tradu­
cen e n proteínas. Los segm entos d e cod ificación se llam an exones, 
porque se a p re sa n e n proteínas y los segm entos n o codificadores 
se llam an in tro n e s . porque son ’ in trap 'n icos*, es decir, están den ­
tro d e los genes (F IG U R A 12-6a). ¡Casi lodos los genes eucariontes 
tienen ¡ntrones; los genes de d istro finas [véanse las páginas 194- 
195) contienen casi 801
la T ranscripción de un gen eucarion te p roduce un a hebra 
m u y larga d e A D N llam ada A R N m precursor o p reA R N m , que 
com ienza an tes d e l p r im e r exó n y te rm in a después d e l ú lt im o 
(F IG U R A 12-6b O )- M ás nucleótidos se su m an al com ienzo y al 
fina l de estas m o lé n ila s d e p reA R N m y form an un * to p e ’ y una 
'c o la * ( f ig u r a l2-6b © ) . Estos nucleó tid os ayudan a trasladar 
e l A R N m te rm inad o p o r la en vo ltu ra nuclear a l c itop lasm a, para 
q ue se en lace co n el A R N m d e u n rib o so m a y para ev ita r q ue 
Lis enz im as celulares degraden la m o lécu la . Pa ra co n ve n ir esta 
m o lé cu la p reA R N m e n e l A R N m m aduro, las enz im as del núcleo 
co n an el p reA R N m e n las un iones entre in trones y exones, a co ­
p lan los exones que co d ifican proteínas y descartan los in trones 
(F IG U R A 12-6b © ) . Las m o lécu las d e A R N m m a d u ro dejan e l nú­
c leo y e n tra n e n e l c ito p lasm a a través d e los p o ro s de la en vo ltu ra 
n u c lear (R G U R A 12-6b O )- En e l c itop lasm a, e l A R N m se une
a los ribosom as, q ue s in te tizan un a p rote ína especificada p o r la 
secuencia d e bases d e l A R N m .
Pos ib les fu n d o n es d e la es tru c tu ra 
d e in trones y exones d e los genes
¿P o r q ué los genes eucariontes contienen intrones y exones? Esta 
estructura d e los genes parece cu m p lir por lo m enos dos fundones. 
La p rim era fu n d ó n es p erm itir q ue la cé lu la produzca numerosas 
proteínas a partir d e un gen ún ico , acop land o los exones d e d ife­
rentes m aneras. Por e jem p lo , un gen llam ad o C T /C G R P se trans­
cribe e n la tiroides y e n e l cerebro. En la tiroides, un a form a de 
d iv is ió n d a por resultado la síntesis d e la h o rm o n a c a la ton ina, 
q ue regula las concentrariones de ca ld o e n la sangre. E n e l cerebro, 
otra form a d e d iv is ión estim ula la síntesis de un a proteína q ue sir­
ve co m o mensajera para la co m u n ica rió n entre célu las nerviosas. 
Otras d ivisiones pueden ocurrir e n el A R N transcrito a partir de 
más d e la m itad de los genes eucariontes. P o r tanto, e n L is euca­
riontes, la regla 'u n gen, un a p ro te ína* debe corregirse co m o 'u n 
gen, un a o m ás proteínas*.
l a segunda fu n d ó n d e los genes in terrum p idos es m ás es- 
p e a ila t iv a , p ero se sostiene e n buenas ev iden rias experim entales. 
Los genes fragm entados pueden p ro p o rd o n a r a los eucariontes 
un a m anera rápida y eficaz d e e vo lu d o n a r nuevas proteínas con 
nuevas fu nd on es . A veces los crom osom as se separan y sus partes 
se unen a diferentes crom osom as. S i la ruptura o a ir re e n los in tro ­
nes n o codificadores de u n gen. es posib le q ue los exones pasen 
intactos d e u n crom osom a a otro. Casi lodos esos errores serían 
dañ inas, p ero e n ocasiones, el in te rcam b io acriden t.il d e exones 
entre genes produce nuevos genes eucariontes q ue favorecen la 
supervivencia y la rep roduedón d e los organism os q ue los portan.
► F IG U R A 12-6 S ín te s is d d A R N m 
en cé lu la s e u ca rio n te s (a) Los genes 
eucariontes constan de exones (azul 
medio), que codifican la secuencia de 
aminoácidos d e una proteína, c Intrones 
(azul oscuro) que no lo hacen, (b ) La 
síntesis del ARNm en eucariontes consta 
de varias etapas: © tran scr ib ir el gen 
en una molécula grande de preARNm; 
© a g re g a r un nucleótido modificado al 
preARNm para form ar e l tope y la co la 
en el extremo 5‘ y una secuencia de 
nucleótidos de adenlna para formar la 
cola de polt-Aen el extrem o 3’ ; © c o r ta r 
tos Intrones y acoplar los exones en el 
ARNm maduro, y © e l ARNm maduro 
sale d e l núcleo al citoplasma para la 
traducción.
ADN
preARN m
© Se agregan un tope, in a co la y un a secu encia de 
nucleótidos d e aden ina llam ada pofc-A a l preARNm
ARNm m aduro
0 D ivisión del A R N
i r u n
los intrones 
se extraen 
y s c
degradan
O E l ARNm m aduro se envía 
a l citop lasm a p ara la traducción 
•>) S ín te s is y p rocesam ien to d e l A R N en eu cario n tes
prom otor n tron es
(a ) E s tru ctu ra d e l g en eu cario n te
ADN
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