Expresión Génica y Regulación: Mecanismos y Componentes Clave

Expresión Génica: Proceso Central de la Biología Molecular

La expresión génica es el conjunto de procesos intermedios que hacen que la información genética contenida en el ADN tenga como producto final una proteína. Incluye la transcripción y la traducción.

Transcripción: Del ADN al ARNm

La transcripción ocurre en el núcleo de células eucariotas. Consiste en que la secuencia de nucleótidos de un gen o varios, se transcriba en ARNm. Esta acción la lleva a cabo la ARN polimerasa, enzima que empieza a leer el ADN por el extremo 3' en dirección 5'. Previamente, la ARN polimerasa debe unirse a una secuencia que se sitúa delante del extremo 5', llamada promotor. Como la enzima lee en dirección 3' a 5', la nueva molécula de ARN irá en sentido 5'-3'.

La secuencia de ADN tiene fragmentos llamados intrones que no tienen significado para transportar la información al citoplasma. Por tanto, ese transcrito primario de ARN debe madurar, eliminando las secuencias intrónicas. Una vez hecho, se denomina ARNm maduro, al cual se le añade una caperuza en el extremo 5' y una cola poli-A en el 3' para protegerlo. A continuación, viajará al citoplasma donde será leído por los ribosomas, donde existe la síntesis de la proteína, proceso llamado traducción. El ribosoma empezará a leer el ARNm por el extremo 5' de este. En procariotas, el ARNm no necesita proceso de maduración pues no posee intrones.

Regulación de la Expresión Génica en Eucariotas

Se denomina eucromatina a la región del núcleo donde el ADN está menos condensado, permitiendo la entrada de enzimas de transcripción. La heterocromatina son zonas del núcleo donde el ADN está más condensado, por lo que no se está expresando, ya que no permite el acceso de las enzimas de transcripción. Hay una heterocromatina constitutiva, que suele estar siempre condensada, y otra facultativa, que tiene la capacidad de volverse menos compacta y permite su transcripción.

El ARNr se produce en el nucleolo dentro del núcleo, viaja al citoplasma por los poros nucleares, y se acopla a proteínas L y S formando ribosomas. El ARNt tiene como función transportar aminoácidos al lugar donde se está leyendo el ARNm. Está formado por una cadena, aunque en partes esté replegado y asociado internamente mediante puentes de hidrógeno. Entre las bases complementarias podemos distinguir el brazo aceptor de aminoácidos y un bucle anticodón.

Regulación de la Expresión Génica en Procariotas: El Operón de Lactosa

El operón lac es un sistema requerido para el transporte y metabolismo de la lactosa en la bacteria Escherichia coli, así como en algunas otras bacterias entéricas. Presenta 3 genes estructurales adyacentes, un promotor, un regulador y un operador. El operón lac es regulado por factores, incluyendo la disponibilidad de glucosa y de lactosa. La regulación génica del operón lac fue el primer mecanismo regulatorio de la expresión genética en ser elucidado, y es utilizado a menudo como ejemplo clásico de regulación génica en procariotas.

Componentes del Operón Lac

1. Genes estructurales: Son 3: lacZ, lacY, y lacA. El primero codifica la información para la enzima beta-galactosidasa, que hidroliza la lactosa en galactosa y glucosa.
2. Promotor: Reconoce a la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
3. Operador: Región del ADN situada entre el promotor y los genes estructurales.
4. Represor: Codifica la proteína represora LacI que se une al operador impidiendo la transcripción de los genes estructurales.

La lactosa es un inductor de la expresión de los genes. En presencia de lactosa, esta se unirá a la proteína represora y permitirá la expresión de los genes, la ARN polimerasa podrá transcribir dichos genes sin problema.

Metabolismo Celular y Estructura del ADN

Procesos Metabólicos Clave

1. Formación del Acetil-CoA en la matriz mitocondrial.
2. Ciclo de Krebs: Ruta metabólica que comienza con el Acetil-CoA. Parte de la respiración celular. Libera 2CO2, 1 ATP, 3NADH, 1 FADH2.
3. Cadena de transporte de electrones: En la membrana interna mitocondrial, en las crestas.
4. Fosforilación oxidativa: Proceso de síntesis de ATP en el complejo ATP sintasa, insertado en la membrana mitocondrial, debido al paso de H+, acoplado al transporte de electrones.

Estructura del ADN y Empaquetamiento

Las grandes moléculas de ADN de la célula eucariota están muy empaquetadas, ocupando así espacio en el núcleo celular y como mecanismo para preservar su transcripción. El ADN va disminuyendo su tamaño. Se distinguen:

Cromatina

• Cromatina laxa: El ADN se enrolla sobre los nucleosomas. La cromatina es ADN asociado a proteínas histónicas o no histónicas. Las histonas forman un disco, el nucleosoma, formado por 8 histonas. El ADN da una vuelta y media al nucleosoma. El fragmento de ADN que queda entre un nucleosoma y otro se llama ADN espaciador. El ADN queda un poco más empaquetado para disminuir su tamaño.
• Cromatina condensada: La cromatina se enrolla sobre el eje de la histona H1. También se asocia a proteínas no histónicas. Se forma una fibra de 30nm. Esta estructura ya cabe en la célula.

Niveles superiores de empaquetamiento: El cromosoma es el mayor nivel de empaquetamiento o condensación.

Tipos de ADN

• Monocatenario: Una cadena. Algunos virus.
• Bicatenario: Dos cadenas. Otros virus, bacterias.

Según la forma del ADN:

• Lineal: Ej: eucariotas, algunos virus.
• Circular: Ej: mitocondrias, bacterias, cloroplastos. Un extremo de la doble hélice se une a otro mediante enlaces fosfoéster, formándose una molécula circular.

Implicaciones Biológicas

Selección en el Cáncer

En el nucleolo se produce la síntesis del ARNr, así que las células cancerosas no tienen capacidad para sintetizar ribosomas, y por tanto, no pueden sintetizar proteínas. Todas las funciones de la célula dependen de proteínas, así que si hay una ausencia de estas, la célula moriría. Durante la mitosis, el nucleolo no está presente y por tanto no lo involucran y no hay síntesis de ribosomas.

Secuencia de Aminoácidos

El código genético es degenerado, es decir, un mismo aminoácido puede estar codificado por más de un codón de ARNm debido a que hay únicamente 20 aminoácidos, pero hay 61 codones de ARNm codificantes. El código genético no es ambiguo, es decir, un codón de ARNm codifica solo un aminoácido, garantizando que la síntesis de proteínas sea siempre de la misma manera.

Respiración Celular

Los electrones acumulados en NADH y FADH2 son cedidos a la cadena de transporte de electrones hasta llegar al O2 que se reduce a H2O + CO2. Al mismo tiempo, hay un bombeo de H+ hacia la matriz. Dichos H+ pasan por el complejo ATP sintasa produciendo ATP.