A
partir de la década de 1940, el concepto de gen evolucionó desde la
formulación "un gen: una enzima" a "un gen: una
cadena polipeptídica". Sin embargo, ninguna de estas
definiciones se ajusta por completo al concepto actual de gen.
El
flujo de información dentro de la célula
El
"dogma central de la biología", definido en 1957 por
Francis Crick, establece que la información genética fluye en el
siguiente sentido: DNA → RNA→ proteínas. Esto es verdad en la
mayoría de los casos; sin embargo, el material genético de algunos
virus está formado por RNA que luego es usado como molde para
producir DNA.
El
código genético
El
código genético consiste en la asignación de tripletes de
nucleótidos (codones) en el RNA mensajero (mRNA) a cada uno de los
aminoácidos que formarán una cadena polipeptídica.
Existen 64 combinaciones posibles de codones. El código es redundante, porque los 20 aminoácidos usualmente presentes en los seres vivos son codificados por 61 de estas combinaciones. Los tres codones restantes actúan como señales de terminación de la traducción.
Con muy pocas excepciones, el código genético es el mismo en casi todos los seres vivos.
Existen 64 combinaciones posibles de codones. El código es redundante, porque los 20 aminoácidos usualmente presentes en los seres vivos son codificados por 61 de estas combinaciones. Los tres codones restantes actúan como señales de terminación de la traducción.
Con muy pocas excepciones, el código genético es el mismo en casi todos los seres vivos.
La
transcripción: del DNA al RNA
La
transcripción es el proceso de síntesis de RNA a partir de DNA.
Sigue el mismo principio de apareamiento de bases que la replicación
del DNA, pero se reemplaza la timina por el uracilo. En cada
transcripción, sólo una de las cadenas del DNA se transcribe. La
RNA polimerasa cataliza la adición de ribonucleótidos al extremo 3´
de la cadena de RNA, de modo que esta última es antiparalela a la
cadena molde de DNA.
En
la región del promotor, punto de unión de la enzima RNA polimerasa,
la doble hélice de DNA se abre y, a medida que la RNA polimerasa
avanza a lo largo de la molécula de DNA, se separan las dos cadenas.
Los ribonucleótidos, que constituyen los bloques estructurales, se
ensamblan en la dirección 5' a 3' a medida que la enzima lee la
cadena molde de DNA. Nótese que la cadena de RNA recién sintetizada
es complementaria, no idéntica, a la cadena molde a partir de la
cual se transcribe; su secuencia, sin embargo, es idéntica a la
cadena codificante de DNA (no transcrita), excepto por un detalle: en
el RNA, la timina (T) se reemplaza por uracilo (U). El RNA recién
sintetizado se separa de la cadena molde de DNA.
La
RNA polimerasa no necesita un cebador para iniciar la síntesis. Se
une al DNA en una secuencia específica, el promotor, que define el
punto de inicio de la transcripción y su dirección.
En los procariontes, el proceso de transcripción continúa hasta que la polimerasa encuentra una secuencia que constituye la señal de terminación. En los eucariontes, el proceso termina cuando el RNA es cortado en una secuencia específica. Al finalizar la transcripción, la RNA polimerasa se detiene y libera la cadena molde de DNA y el mRNA sintetizado.
En los eucariontes, los transcritos primarios sufren diversas modificaciones durante la transcripción. Entre ellas se encuentran la adición del CAP, la poliadenilación y el splicing. Este último proceso consiste en el corte y la eliminación de ciertas secuencias, los intrones, y el posterior empalme de las secuencias restantes, los exones. Sólo los exones forman parte del mRNA maduro. Un mismo transcrito primario puede ser procesado por splicing de distintas maneras. Este empalme alternativo permite que una molécula de mRNA inmadura pueda originar diferentes moléculas de mRNA maduro.
En los procariontes, el proceso de transcripción continúa hasta que la polimerasa encuentra una secuencia que constituye la señal de terminación. En los eucariontes, el proceso termina cuando el RNA es cortado en una secuencia específica. Al finalizar la transcripción, la RNA polimerasa se detiene y libera la cadena molde de DNA y el mRNA sintetizado.
En los eucariontes, los transcritos primarios sufren diversas modificaciones durante la transcripción. Entre ellas se encuentran la adición del CAP, la poliadenilación y el splicing. Este último proceso consiste en el corte y la eliminación de ciertas secuencias, los intrones, y el posterior empalme de las secuencias restantes, los exones. Sólo los exones forman parte del mRNA maduro. Un mismo transcrito primario puede ser procesado por splicing de distintas maneras. Este empalme alternativo permite que una molécula de mRNA inmadura pueda originar diferentes moléculas de mRNA maduro.
La
información genética codificada en el DNA se transcribe a una copia
de RNA (transcripto primario). Esta copia se modifica en forma
cotranscripcional con la adición del casquete 5' (CAP), el corte de
los intrones y el empalme de los exones (splicing) y, finalmente con
la adición de la cola de poli-A. A ambos extremos del mensajero hay
secuencias no traducibles, denominadas extremos 5´UTR (región no
traducible que abarca desde el CAP hasta el codón de iniciación) y
extremos 3´UTR (región no traducible que abarca desde el codón de
terminación hasta la cola de PoliA). En esta figura, el splicing se
produce luego de la adición de la cola de poli-A, sin embargo,
muchas veces el proceso de corte y empalme ocurre antes de que haya
concluido la transcripción. El mRNA maduro luego se dirige
al citoplasma,
donde se traduce a proteínas.
En
el ciliado de agua dulce Tetrahymena, el intrón inmaduro actúa como
catalizador de la escisión, produciendo un empalme autocatalítico.
A este RNA con función de enzima se lo llama ribozima.
La
traducción: del RNA al polipéptido
La
traducción es la conversión de la secuencia de nucleótidos del RNA
en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. En este proceso
participan los mRNA, los RNA ribosómicos (rRNA) y los RNA de
transferencia (tRNA).
Los
ribosomas están formados por rRNA y proteínas. Cada uno está
formado por dos subunidades de diferente tamaño que, además, en los
procariontes son más pequeñas que en los eucariontes.
El
mRNA y el tRNA iniciador se unen a la subunidad ribosómica menor.
Luego se les une la subunidad mayor y cataliza la unión peptídica
entre aminoácidos. En la subunidad mayor existen tres sitios a los
que se une el tRNA: el sitio A (aminoacílico), el sitio P
(peptidílico) y el sitio E (de salida).
Los
tRNA son moléculas pequeñas, con una estructura secundaria
semejante a la hoja de un trébol, que presentan dos sitios de unión.
Uno de ellos es el anticodón, que se aparea con el codón del mRNA.
El otro sitio, ubicado en el extremo 3´, se acopla a un aminoácido
particular en forma muy específica. Así, los tRNA permiten la
alineación de los aminoácidos de acuerdo con la secuencia de
nucleótidos del mRNA.
El
grupo de enzimas aminoacil-tRNA sintetasas catalizan la unión entre
el aminoácido y el tRNA y forman el complejo aminoacil-tRNA. Este
complejo se une a la molécula de mRNA, apareando el anticodón con
el codón del mRNA en forma antiparalela. Así, el tRNA coloca al
aminoácido específico en su lugar. El enlace entre el aminoácido y
el tRNA se rompe cuando se forma el enlace entre el aminoácido
recién llegado y el último de la cadena polipeptídica en
crecimiento.
En
los procariontes, el proceso de traducción comienza antes de que
haya finalizado el de transcripción. En los eucariontes, ambos
procesos están separados en el tiempo y en el espacio: la
transcripción ocurre en el núcleo y la traducción, en el
citoplasma.
Tanto
en procariontes como en eucariontes, la síntesis de polipéptidos
ocurre en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.
Hacia
el final del mRNA hay un codón que actúa como señal de
terminación. No existe ningún tRNA que tenga un anticodón que se
aparee con este codón. Existen, en cambio, factores de liberación
que se unen al codón de terminación y provocan la separación del
polipéptido y el tRNA. Finalmente, las dos subunidades ribosómicas
también se separan.
Las
proteínas "chaperonas" ayudan a las cadenas polipeptídicas
a plegarse. Finalizado este proceso, las nuevas proteínas viajan al
medio extracelular o a los distintos compartimientos celulares, según
el tipo de señales que posean.
Una
redefinición de las mutaciones
Una
mutación es un cambio en la secuencia o en el número de nucleótidos
en el DNA de una célula. Sólo las mutaciones que ocurren en los
gametos se transmiten a la descendencia. Las mutaciones puntuales
implican la sustitución de un nucleótido por otro. La adición o la
sustracción (deleción) de nucleótidos provoca el corrimiento del
marco de lectura y, por consiguiente, la aparición de una proteína
nueva que casi siempre resulta defectuosa.
Una
revisión del concepto de gen
Actualmente
se considera que un gen es un segmento de DNA que se encuentra a
continuación de un promotor y que puede ser transcrito por una RNA
polimerasa, originando un RNA funcional.
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