Biología Celular, clase 8

DNA

El DNA contiene la información genética que codifica el RNA y por lo tanto la información necesaria para crear las proteínas necesarias para la vida celular. El DNA es copiado en un proceso que se llama replicación y transmitido a las células hijas en un proceso que se llama mitosis. Las mutaciones son producidas por un proceso de replicación que no es fiel o por la inhabilidad de corregir errores, es algo fundamental, el proceso de replicación en la célula debe ser sumamente especifico, no se puede equivocar la célula al replicar el DNA porque si se replica mal se genera una mutación y por lo tanto esa célula hija tendrá una información genética errónea, puede ser, que quizás a esa célula no le pase nada con el DNA mutado pero también puede ser que allá mutado justo en un gen que era muy importante y por lo tanto esa célula hija puede que no sobreviva o que sobreviva y se transforme en una célula cancerígena por ejemplo. Por lo tanto la mantención de la integridad del DNA, es fundamental para todas las células y esa integridad se mantiene en el proceso de replicación, gracias a que el proceso de replicación puede corregir cuando encuentra errores.

El DNA es copiado (replicado) y transmitido a las células hijas a través del proceso de mitosis que es una parte del ciclo celular.

Mecanismos de replicación del DNA

• Además de mantener la integridad de las secuencias del DNA mediante los mecanismos de reparación del DNA, todos los organismos vivos han de duplicar su DNA de una forma muy exacta, antes de cada división celular. No le puede faltar nada y tampoco le puede sobrar nada.

• La replicación del DNA supone unas velocidades de polimerización de aproximadamente 500 nucleótidos por segundo en las bacterias (tiene sentido que sea rápido porque se multiplican cada media hora), y de unos 50 nucleótidos por segundo en los mamíferos.

El proceso de replicación debe ser rápido y preciso, por lo tanto la replicación es un proceso altamente complejo (ocurre de forma exacta dentro de la célula) que esta ayudado por proteínas.

El proceso de replicación se basa fundamentalmente en el apareamiento de bases, es la misma idea de cómo está formado el DNA de doble hebra. Tenemos una hebra molde, madre y según la información que este contenida en esa hebra, es decir, los nucleótidos que ahí estén presentes, la otra hebra que se está polimerizando va a ir agregando nucleótidos si hay una A pondrá una T si hay una G va a poner una C, es decir, por complementariedad de bases a través de puentes de hidrogeno. Siempre las hebras crecen hacia el 3’, nunca se polimeriza en el 5’, químicamente solo se puede formar el enlace fosfodiester en el 3’ no en el 5’, por eso es fundamental el concepto de que las

hebras son polarizadas, que tienen un lado que es 5’ y otro que es 3’. Y eso me da la dirección de los procesos, como ocurren dentro de la célula.

La replicación del DNA es semiconservativa, esto quiere decir, primeramente el DNA se abre completamente y cada una de las hebras se duplica, es decir, se copia y estas dos luego se separan a las células hijas por lo tanto cada una de las células hijas va a tener una molécula de DNA que estará formado por una hebra antigua y una hebra nueva, y eso es lo que se conoce como un proceso semiconservativo.

Entonces tenemos nuestro DNA que se abre y cada hebra debe ser copiada en base a la información que contienen por apareamiento de bases. Cada doble hebra nueva es idéntica a la original. Además la hebra nueva y la hebra molde son químicamente iguales pero complementarias. El proceso de replicación se lleva a cabo por un conjunto de proteínas que forman una maquinaria de replicación. Este es un proceso que es tan complejo y que tiene que ser realizado con tanta eficiencia que en él participan una serie de proteínas diferentes que van a permitir que esto se realice de forma exitosa.

La replicación en una célula de DNA comienza en lugares precisos del DNA y se llaman orígenes de la replicación los cuales son sectores del DNA en cada cromosoma (hebra de DNA independiente), son sectores del DNA ricos en AT (adenina y timina), que se unen por medio de dos puentes de hidrogeno es decir, son más débiles por ende es mucho más fácil abrirlas. Son puntos que se generan como globitos en la secuencia de DNA, cada uno de ellos es un origen de replicación, por ende una zona rica de AT, cada uno de ellos se comienza a replicar hacia cada lado, en ambas direcciones, en cada hebra habrán múltiples orígenes de replicación y esto se abre hasta que se juntan al centro todas, replicando toda la hebra.

En el caso de los cromosomas circulares (un solo cromosoma circular) bacterianos hay un solo origen de replicación en un solo lugar, un origen de replicación y dos horquillas de replicación, es decir, en un punto se abre y la replicación avanza hacia ambos sentidos (sentidos opuestos), donde en cada sentido hay una horquilla de replicación. Siempre cada origen de replicación tiene dos horquillas de replicación que son las maquinarias por donde avanza la replicación hacia los lados opuestos. En los procariontes solo hay un origen de replicación en los eucariontes hay muchos orígenes de replicación.

En el corazón de cada maquinaria de replicación se encuentra la enzima responsable, la más importante dentro del proceso de replicación que se llama DNA polimerasa que es la responsable entonces de sintetizar o polimerizar la nueva hebra de DNA.

Fragmentos de Okazaki

Focalizándonos en una horquilla de DNA podemos ver que avanza hacia un lado si lo amplificamos veremos la doble hebra de DNA, con su orientación 5’ 3’ y 3’ 5’ replicándose ambas hebras. La DNA polimerasa esta enzima que es capaz de polimerizar el DNA, que es capaz de leer la información que está dentro de la hebra molde y generar a partir de esa información la hebra nueva, es decir, de generar esta copia, esta enzima agrega los nucleótidos al extremo 3’ de la cadena del DNA en crecimiento, porque químicamente, es

ahí donde se puede formar el enlace fosfodiester, entonces esta hebra original 3’ 5’ genera una hebra de copia 5’ 3’ y por lo tanto hacia esa dirección va sintetizando el DNA polimerasa va agregando los nucleótidos según la información que le de la hebra molde. Mientras que en la otra hebra esta al revés, debe empieza de 3’ a 5’ y eso no puede ser, ya que siempre se polimeriza hacia 3’ no hacia 5’, para avanzar hacia el otro lado no puede hacerlo. La primera hebra entonces, que se copia directamente se llama cadena conductora o adelantada y la otra que sebe formarse por pedacitos se llama cadena retrasada, y cada uno de los pedacitos fragmentos de okazaki. Debido a que las dos cadenas de DNA se sintetizan en la dirección 5’ a 3’, el DNA sintetizado sobre la cadena retrasada es producido en forma de cortas moléculas de DNA, denominadas fragmentos de Okazaki.

Siempre en un origen de replicación al partirlo por la mitad tendremos dos horquillas de replicación, cada uno avanza hacia el lado opuesto del otro, en cada horquilla tendremos una hebra adelantada y una hebra retrasada, pero como la dirección es diferente las hebras serán opuestas. Las horquillas de replicación del DNA son asimétricas por que avanzan en direcciones opuestas la hebra que debe crecer hacia el 5’ se desarrolla discontinuamente en pequeñas partes sucesivas denominadas fragmentos de okazaki, estos fragmentos luego son unidos para formar una cadena continua, esto lo realiza una enzima llamada ligasa. La que hace todo este trabajo entonces es la enzima DNA polimerasa que es una enzima grande que rodea el DNA y tiene la capacidad de ir agregando los desoxiribonucleotidos al extremo 3’ OH libre de la cadena que se está formando, además de ello la DNA polimerasa puede mirar hacia atrás y ver si se equivoco en la lectura y la copia del DNA replicado, por lo tanto tiene una actividad polimerasa 5’ 3’, es decir, avanza desde el 5’ hacia el 3’, polimerizando generando esta nueva hebra, pero además tiene una actividad correctora, porque también se llaman proofreading en la otra dirección 3’ 5’ , entonces avanza y copia los nucleótidos que corresponde pero también puede ver hacia atrás y ver si se equivoco, si es así se devuelve pero en la otra dirección, polimeriza entonces 5’ 3’ pero cuando recorrige avanza 3’ 5’. Tenemos entonces nuestra hebra que se va polimerizando 5’ 3’ cuando se da cuenta que comete un error se devuelve saca al nucleótido mal apareado, incorpora el nucleótido que corresponde y sigue avanzando. Entonces el DNA polimerasa no solo polimeriza si no que también corrige y gracias a ello la replicación es un proceso de alta fidelidad, si no fuera así, se cometerían muchos errores.

Entonces, la hebra retrasada de DNA es sintetizada por fragmentos de okazaki. En los eucariontes ocurre que tenemos nuevamente nuestra hebra, una continua o adelantada que se va agregando los nucleótidos hacia 3’. El problema es la otra hebra que se tiene que ir formando de a pedacitos, los cuales se inician con los llamados primers. Entonces en la hebra retrasada se pone originalmente un primer, partidor o cebador que es una pequeña molécula de RNA que es complementaria a un pequeño segmento de DNA , entonces en los eucariontes los ARN cebadores o primers se forman cada 200 pares de bases aproximadamente, la hebra se abre y cada 200 pares de bases se ponen estos primer de RNA cebadores que es como un pedacito de secuencia (longitud de 10 pares de bases) y a partir de ellos viene le RNA polimerasa y completa el espacio que hay entre

un primer y el otro polimerizando hacia el 3’ agregando los nucleótidos que corresponden hacia el 3’ , cada uno de estos fragmentos que originalmente comienza con un primer de RNA y que luego termina con la secuencia de DNA se llama fragmento de okazaki. Claramente esta hebra tendrá algo raro, porque no queda con los pedacitos de RNA metidos entremedio, debe quedar una doble hebra de DNA continua, es por ello que viene una nucleasa (enzima que rompe nucleótidos) y elimina los primers de RNA, luego viene una DNA polimerasa reparadora y rellena los huequitos que quedaron de los primers, luego viene la ligasa que une todos los pedacitos generando entonces la hebra continua de DNA. En todo esto participan entonces una serie de proteínas.

En resumen en la replicación tenemos nuestra hebra original que se abre en los orígenes de replicación y avanza en cada origen de replicación en las horquillas de replicación en direcciones opuestas. Una es la hebra adelantada y la otra hebra es la retrasada que se va haciendo de a pedacitos (va en dirección opuesta, hacia 5’), los pedacitos se llaman fragmentos de okazaki, cada fragmento de okazaki comienza con un primer o cebador ARN, de 10 pares de bases de RNA que se forman cada 200 pares de bases de ADN, luego viene la RNA polimerasa y rellena el espacio que hay entre un cebador y el siguiente, luego la nucleasa elimina los cebadores de ARN, y luego el ADN reparador genera los nucleótidos donde estaban los ARN y luego la ligasa une todos los fragmentos de DNA.

• La helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice permitiendo el avance de la horquilla de replicación.

• La topoisomerasa impide que el ADN se enrede debido al superenrollamiento producido por la separación de la doble hélice.

• La ADN polimerasa sintetiza la cadena complementaria de forma continua en la hebra adelantada y de forma discontinua en la hebra retrasada.

• La ARN primasa sintetiza el cebador de ARN necesario para la síntesis de la cadena complementaria a la cadena rezagada.

• La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki.• El cebador: son pequeñas unidades de RNA que se unen a los fragmentos para que

la ADN polimerasa reconozca donde debe unirse.• La DNA polimerasa reparadora: elimina los finalmente los cebadores de RNA

MutacionesLas mutaciones en el DNA pueden ser puntuales, es decir, que cambia un nucleótido en toda la secuencia del DNA, puede ser que esa mutación puntual de lo mismo, no sea parte de un gen importante y por lo tanto nisiquiera sabremos que existió esa mutación por que no tiene una consecuencia para la célula, sin embargo, hay otras mutaciones puntuales en el que solo el cambio de un nucleótido es sumamente importante. Las mutaciones entonces, aunque puntuales pueden tener grandes consecuencias para un individuo. La anemia falciforme por ejemplo es una enfermedad hereditaria que se caracteriza por presentar glóbulos rojos con forma anormal que genera el transporte incorrecto de oxigeno, esto es causado por una mutación sobre la cadena beta de la hemoglobina ( dos alfa dos beta, una de las beta tiene una mutación puntual en un

nucleótido y ese cambio genera una beta globina que cambia su conformación, la proteína que se genera aunque tenga un nucleótido diferente es distinta y no se puede asociar a las otras subunidades de la hemoglobina y por lo tanto no se puede formar correctamente el glóbulo rojo y se genera la enfermedad). Síndrome de Werner o progeria, es el envejecimiento prematuro de las personas, es causada por un defecto en la DNA helicasa, como hay un defecto ella no hace bien su trabajo no abre bien la hebra y la replicación no es correcta, normalmente no se replica todo el DNA por lo tanto se generan individuos con trastornos severos. Por lo tanto la presencia de mutaciones en el DNA es una conducta fundamental, sin embargo, algunas mutaciones en el DNA puede que sea favorables para la especie y eso es evolución, los humanos evolucionamos lentamente , tenemos un ciclo de vida muy largo, pero las bacterias que se dividen cada media hora evolucionan rápidamente, en cada una de esas divisiones pueden adquirir una característica genética nueva, un cambio una mutación que le permita por ejemplo crecer en una situación de stress que antes no tenían. Hay cambios entonces en el DNA que se mantienen en la evolución por que generan algo favorable para la especie, hay otros que generan un daño en la especie. Para que sobrevivan los individuos requiere una estabilidad genética, para mantenerse en el tiempo requerimos que nuestro ADN se mantenga estable para transferirlo a los hijos de forma estable. Por lo tanto necesitamos un proceso de replicación que sea fiel y además necesitamos un proceso de reparación de DNA que sea eficiente, cuando hay una falla en estos dos procesos tenemos una mutación que puede ser puntual o puede ser mayor. Hay factores externos que también pueden generar un daño en el DNA no solo porque la DNA polimerasa se equivoco, hay otros factores que también pueden dañarla. La fuente de los cambios de la secuencia DNA puede ser:

1. Desanimación: Se genera la pérdida de un grupo amino de uno de los nucleótidos, tenemos nuestra secuencia de DNA ya con su esqueleto azúcar fosfato en la orilla y las bases nitrogenadas hacia el centro y una de estas bases nitrogenadas pierde el grupo amino, cuando pierde el grupo amino cambia químicamente. Cuando la citosina pierde su grupo amino específicamente cuando la citosina pierde su grupo amino por un proceso de desanimación queda químicamente igual a un uracilo. Lo que ocurrirá es que, teníamos nuestra doble hebra de DNA, en un lugar había citosina pero ella sufre un proceso de desanimación por lo tanto perdió su grupo amino, lo que pasara cuando se replique la hebra es que la DNA polimerasa cuando vea este nucleótido creerá que es un uracilo lo que hará será agregar una adenina complementaria al supuesto uracilo esta célula entonces tendrá una mutación puntual, si esta daño es fundamental para la célula puede que no sobreviva o que sobreviva pero tenga un daño que será heredado a las células hijas, si estos daños ocurren en las células somáticas nuestros hijos tendrán daños.

2. Depurinaciones: es la perdida completa de una purina (AG) , se pierde completamente , en este caso entonces se pierde la base nitrogenada y solo queda el esqueleto azúcar fosfato, entonces cuando ocurra la replicación del DNA aparecerá como que hay un nucleótido menos en este lugar por lo tanto la DNA polimerasa solo copiara lo de alrededor y se saltara el nucleótido que estaba ahí

porque no lo va a ver, esta célula también será mutada, pero en este caso será severa ya que le falta un nucleótido, cambia la secuencia genómica completamente, en la otra célula no pasara nada ya que leerá la otra hebra.

3. Cambios químicos por agentes mutagenicos: Como por ejemplo la formación de los dímeros de timina esto lo forma la radiación ultravioleta, la radiación ultravioleta sobre el DNA genera dímeros timina (cáncer a la piel), si tenemos una secuencia de DNA donde hay dos o más timinas juntas, estas timinas se unen y generan enlaces entre ellas, por lo tanto cuando se tengan que replicar las hebras la DNA polimerasa (enzima) no sabe como replicar esa estructura no la reconoce como un nucleótido, así que detiene la replicación y es una célula dañada que no puede replicar su DNA, siempre ocurre para los dímeros de timina.

Por suerte nuestro sistema tiene mecanismos de reparación del DNA que comprende tres etapas la primera es la eliminación del error, luego genera la nueva síntesis de la hebra corregir y poner el nucleótido que corresponda y finalmente ligar las dos hebras la que se genero recién y la que estaba desde antes para generar nuevamente esta doble hebra continua. Entonces si tenemos un DNA con un error puntual viene una enzima nucleasa y saca el nucleótido que estaba mal , luego viene la DNA polimerasa reparadora y agrega un nucleótido y luego la DNA ligasa une todo generando la doble hebra. Si satura el sistema igualmente se termina saturando el sistema de corrección del DNA. Si le hebra no se repara hay una célula hija que heredara el error y eso puede significar para esa célula muerte o puede significar para esa célula estar enferma por ejemplo cáncer, o bien puede ser nada. Los sistemas de reparación son tan importantes en la célula que han permitido conservar ciertos genes muy conservados después de millones de años de evolución que es muy similar a lo que ocurre con las histonas, los sistemas de reparación conservan las secuencias exactas en las diferentes especies y a lo largo de años y años de evolución. Por ejemplo el gen que determina sexo entre ballenas y humanos es muy parecido solo tiene tres diferencias y esto es gracias a los sistemas de reparación que hacen que se mantenga estable las secuencias.

Tenemos entonces la información contenida en el DNA ( almacenada la información genética), cuando necesitamos ejecutar esa información no se usa directamente el DNA, en este caso se usa una molécula mensajera que copia un segmento del DNA , es decir, copia ese programa que nosotros necesitamos en ese momento especifico lo saca del disco duro y lo lleva al citoplasma y ahí el programa es ejecutado, se sintetiza la proteína a partir de ese RNA, el DNA doble hebra se copia en un proceso que se llama transcripción a una hebra de RNA , que puede ser mensaje, ribosomal, transferencia, etc. El RNA que se convierte o traduce en proteína es el RNAm que trae la información desde el RNA para poder generar la proteína , posteriormente este RNAm por un proceso de traducción se genera la proteína.

Las células leen o expresan instrucciones que tienen en los genes. Nuestro DNA dentro de la célula está lleno de diferentes genes, programas, información para generar diferentes cosas dentro de la célula, hay genes por ejemplo el A que se transcribe muchas

veces , osea, a partir de un mismo gen se pueden formar muchas moléculas de RNAm y a partir de cada una de ellas se pueden sintetizar muchas proteínas, se pueden cada una de ellas traducir muchas veces y por lo tanto a partir de un solo gen en un momento determinado de la célula podemos tener gran cantidad de la proteína A, porque la célula necesita la proteína A pero no la B, solo necesita la A. Por ejemplo las células pancreáticas que solo sintetizan las enzimas pancreáticas o los folículos pilosos que sintetizan pelo, necesitan mucha información del gen que codifica para el pelo necesita traducir esta información muchas veces generando muchas proteínas de keratina. GEN - Región del ADN que controla una característica hereditaria discreta, que Generalmente corresponde a una proteína o ARN únicos. Células sintetizan gran cantidad de proteínas rápidamente.La síntesis de las proteínas de cada célula dependerá de cada organismo, de cada estadio, por que cuando se es bebe se necesita de ciertas proteínas y de adulto se necesita de otras, por lo tanto depende de cada individuo, célula y del estadio en que se encuentre el individuo que tipo de proteína expresara cada célula. Todas las células tienen la información para expresarlas todas pero va a expresar diferencialmente unas de otras y por eso cada célula puede cumplir diferentes funciones.

ARN

Siempre son hebras únicas, simples, no son dobles como el ADN, el DNA siempre es una molécula de doble hebra, el RNA no siempre es una molécula simple. Al encontrarse en la forma de hebra única, el ARN es capaz de interactuar consigo mismo, lo que le confiere una estructura tridimensional. Una molécula de RNA entonces se pliega sobre sí mismo, muy parecido a lo que ocurre en las proteínas, tenemos originalmente una hebra de DNA que se puede ir enrollando sobre si misma adquiriendo entonces una estructura tridimensional gracias a los puentes de hidrogeno se enrolla sobre si mismo, que forma por complementariedad de bases, es decir, hay regiones de la secuencia que al plegarse son complementarias y se unen por puentes de hidrogeno. A su vez, esta estructura tridimensional le puede conferir una actividad a los RNA, y no solo tenemos a los RNAm si no que también hay RNA que son catalíticos dentro de la célula (pueden tener actividad enzimática a pesar de no ser enzimas o proteínas, pero pueden realizar cosas dentro de la célula) o un rol estructural (RNA ribosomales que nos permite formas ribosomas, son RNA que permiten formar estructuras dentro de la célula).

Etapas de la Transcripción

Segmentos de regiones de ADN son transcritos a ARN, no se transcribe todo el ADN, solamente pedazos que son los que la célula necesita en ese momento de su vida, esos genes particulares son los que se transcriben no todos.

Los procesos de replicación y transcripción son dos procesos completamente diferentes que ocurren dentro de la célula, la replicación solo ocurre cuando la célula tiene que dividirse y no todas las células se dividen, por ejemplo, las neuronas no se dividen, por lo tanto no hay replicación de ADN en ese tipo de células, pero si hay transcripción para

poder generar todas las proteínas que ella necesita como los canales iónicos de sus membranas, los neurotransmisores que deben generar, etc. Hay otras células que se replican constantemente como las células de la piel, esas células deben replicarse.

La transcripción produce un ARN que es complementario a una de las hebras del ADN, entonces si tenemos una cierta secuencia de ADN, tenemos una hebra que se ama codificante o no templado, o la hebra templado, la hebra que se copia para formar el RNAm es la hebra templado o la hebra molde la que va en la dirección 3’ 5’, porque ahora la RNA polimerasa, es decir, la enzima que genera la transcripción, RNA polimerasa por que es capaz de generar una molécula de RNA a partir de DNA, también polimeriza hacia el 3’, por lo tanto copia la hebra que va de 3’ a 5’ para crear una hebra transcrita de 5’ a 3’ de forma complementaria reemplazando las T por U (uracilos). El RNA transcrito será igual a la hebra codificante pero en lugar de tener T tendrá U. Entonces hay segmentos de RNA que son transcritos, la transcripción produce ARN complementarios a una hebra del DNA y se pueden producir diferentes moléculas de ARN, no todos serán ARNm, cuando se genera un ARNm lleva la información para poder sintetizar proteínas, lo RNAr forman parte de los ribosomas, los RNAt (transferencia) son utilizados para poder producir las proteínas y los small RNA participan en la maduración del RNA cuando hay intrones.

La RNA polimerasa entonces en la enzima que se encarga de realizar este proceso de transcripción, la RNA polimerasa es una enzima grande que se asocia a un segmento del DNA, abre el DNA en un punto especifico y empieza a copiar a partir de la hebra templado o molde el RNAm polimerizando hacia el 3’ agregando los ribonucleotidos por que estamos hablando de un RNA. Por lo tanto en este caso la dirección de la transcripción será hacia 3’ copiando la hebra que va hacia el 5’. A diferencia de lo que ocurre con el ADN en la replicación, el ARN que se forma es desplazado de la doble hebra, permitiendo que la doble hebra de ADN se vuelva a formar. Se abre parcialmente el DNA en una región especifica, se comienza a copiar, y una vez que se copio se vuelve a formar la doble hebra inmediatamente. Entonces, tendremos una parte de RNA que ya se transcribió a partir del DNA, esta parte ya esta suelta del DNA (para que este vuelva a ser una doble hebra), mientras que las otras partes que aun no se transcriben siguen unidas al DNA, a medida que se vayan polimerizando en ARN irán soltando al ADN, a diferencia de la replicación donde la nueva hebra queda unida a su hebra original formando las llamadas hebras semiconservativas (unidas por puentes de hidrogeno) que se heredan a las células hijas. Entonces la hebra de DNA se vuelve a unir o cerrar inmediatamente una vez que ya se transcribió al RNA que corresponde (r, t, m, s). Otra característica del ARN es que siempre es una molécula de un tamaño mucho menor que el ADN, por que el ADN es la hebra total que forma al cromosoma en cambio el ARN solo corresponde a la secuencia de un gen, algo mucho más pequeño. Son hebras pequeñas siempre de cadena simple, sencilla o única.

¿Cómo sabe la célula cuales son los genes que tiene que transcribir y cuáles no, como sabe donde comienza ese gen para transcribirlo bien y no equivocarse, como sabe la célula donde comenzar la transcripción?

Cada gen, antes que comience la secuencia propia del gen. Hay secuencias entre un gen y otro, las regiones intergenicas, en estas regiones al comienzo de cada gen hay una secuencia que se llama promotor y es ese promotor el que regula la transcripción de ese gen, cada gen entonces tiene su promotor, si hay un gen en una secuencia de DNA que no tiene promotor no se pude transcribir, se llaman pseudogenes, siguen en la secuencia pero no tienen promotor por lo tanto no se pueden transcribir.

Entonces tenemos un gen, pero antes de este gen tenemos una región que se llama promotor y cuando termina el gen hay otra cosa que se llama terminador, que es una secuencia de DNA cortito que esta al final del gen, entonces el promotor que esta al principio del gen y el terminador que esta al final del gen son regiones del DNA que regularan la transcripción, el promotor me dirá donde empiezo y el terminador me dirá donde termino, cada gen tiene su promotor y su terminador. Entonces la RNA polimerasa que es la enzima que genera el RNA a partir del DNA se une al promotor en esa región del DNA porque sabe que a continuación de ese promotor viene el gen y que de ahí en adelante comenzara a transcribir, no se puede equivocar, no le puede faltar nada al gen o generara una proteína que no es la que requiere la célula, por que será una proteína que le faltaran aminoácidos o tendrá aminoácidos de mas.

La RNA polimerasa que es la enzima que sintetiza el DNA, agrega ribonucleotidos (diferente DNA polimerasa), tiene actividad polimerasa (5’ 3’) en esa dirección hace crecer la molécula y se polimeriza, no necesita un cebador o un partidor como la DNA polimerasa, corrige sus errores en la dirección 3’ 5’, existen tres tipos de RNA polimerasa diferentes que son RNA polimerasa I es la que sintetiza el RNA ribosomal y los small nuclear, la II genera el RNAm y la III genera el RNAt. Dependiendo entonces de que secuencia se está transcribiendo, que información se está transcribiendo, es la RNA polimerasa que se utiliza. El ARN polimerasa II es el que genera el ARNm que luego se traduce a proteínas.

Segmentos de regiones del ADN son transcritos a ARN. La transcripción produce ARN complementarios a UNA HEBRA del ADN.

Se producen varios tipos de ARN Señales presentes en el ADN indican adonde empieza y adonde termina la

transcripción. Las secuencias de esas señales son heterogéneas, pero conservan algún

nivel de similitud.

Secuencias Reguladoras

La célula sabe donde comienza a transcribir porque cada gen al comienzo tiene un promotor, que es el que maneja la transcripción, son los que le dicen a la ARN polimerasa que debe transcribir desde un punto en adelante, así que si el promotor está mal todo lo demás estará mal. Los promotores entonces tienen secuencias reguladoras dentro de ellas, los promotores pueden variar en su tamaño de un gen a otro, promotores de mil pares de bases, de dos mil pares de bases, tres mil pares de bases, los más pequeños

tienen como 500 pares de bases. Son largos, no son cortitos, es una región del DNA en la cual hay numerosas secuencias reguladoras que le dirán a la RNA polimerasa donde comenzar a transcribir, esas secuencias reguladoras son por ejemplo, la caja TATA, que están presentes en todos los promotores en una posición precisa, y además el sitio de inicio de la transcripción. Entonces si tengo un gen en el cual comienzo a transcribir (+1) todo lo que esta antes del gen toda la secuencia que esta antes del gen es la región promotora y eso se conoce como rio arriba, cuando hablo de una secuencia de ARN o ADN desde un punto lo que esta más abajo es el rio debajo de esa secuencia o corriente a bajo de esa secuencia cuando hablo del punto hacia arriba es corriente arriba de la secuencia. Entonces siempre desde el inicio del gen rio arriba esta el promotor rio abajo estará el terminador. El +1 es el punto donde inicia la transcripción aquí en el promotor estarán las secuencias reguladoras que le dicen a la RNA polimerasa donde debe posicionarse para comenzar a transcribir desde el +1 en adelante toda la secuencia hasta el terminador, se generara un RNA de esa secuencia solamente. Dentro de nuestra región promotora normalmente tenemos la caja TATA se llama así porque es una secuencia rica en T y en A que es variable, no siempre es la misma secuencia, pero esta caja TATA es fundamental para que se unan proteínas que se llaman factores de transcripción, que se unen a la caja TATA y cuando estos factores de transcripción están unidos ellos son los que le indican en definitiva a la RNA polimerasa que ahí hay un gen que necesita ser transcrito, entonces viene la RNA polimerasa se asocia a todos esos factores de transcripción y comienza a transcribir si no hay promotor, no hay caja TATA, no se unen los factores de transcripción por lo tanto nunca habrá transcripción de ese gen por que la RNA polimerasa nunca vera a los factores de transcripción, en definitiva la RNA polimerasa no sabe nada más que poner los nucleótidos ella donde ve los factores de transcripción unidos va y se posiciona para transcribir. Donde comienza la transcripción siempre es conocido como +1 lo que esta corriente arriba es con números negativos lo que esta después hacia abajo es con números positivos, por lo tanto, uno dice por ejemplo, tengo un promotor de -2000 pares de bases y la caja TATA esta en el -40 de un gen en particular. Algunos genes se transcriben mucho, para generar muchos RNAm para traducir después mucho y generar muchas proteínas, y otros transcriben poquito. Lo que hace esta diferencia, lo que regula que algo se transcriba o no, en la célula, es la necesidad proteica de cada célula.

Hay múltiples RNA polimerasa asociándose al promotor de este gen para transcribirlo, a partir de un DNA se generan cientos de RNA simultáneamente a partir de un solo gen.

Toda la transcripción anterior es visto en eucariontes.

En los procariontes…Tenemos nuestro DNA, con doble hebra antiparalela y con una región codificante, pero en el caso de la información genética de las bacterias no hay un promotor por cada gen, si no que hay conjuntos de genes regulados por un solo promotor, en este caso tenemos un

gen al lado de otro y de otro regulado por un solo promotor y eso facilita la vida de la bacteria (ciclo de vida más corto), por ello ella necesita sintetizar sus proteínas de forma mucho más rápida por lo tanto tiene solo un promotor que regula la transcripción de varias proteínas, obviamente todas van a ser proteínas relacionadas, no son proteínas diferentes, cuando sintetiza una también sintetiza a la otra. En procariontes los mRNA no son procesados y además se generan moléculas de mRNA con la información para múltiples proteínas (RNA policistrónico). Entonces los RNA policistronicos solo existen en las bacterias no existen en las células eucariontes.

El promotor es el lugar donde están las secuencias reguladoras antes del gen y varían en número de bases (1000, 2000, 3000, 500, etc.). Se encuentran las secuencias reguladoras como la caja TATA que regulan e indican a la célula donde transcribir un gen en particular. A la caja TATA se unen factores de transcripción (proteínas especificas) que le indican al RNA polimerasa que ese gen se debe transcribir. Entonces dentro de una célula habrán genes que se transmiten mucho y otros que se expresan menos o que incluso no se expresan. Por ejemplo, solo las células nerviosas transcriben los genes para neurotransmisores, las células epiteliales o las células del ojo por ejemplo, no tienen la necesidad de crear neurotransmisores por ende no transcriben esos genes, solo las células nerviosas transcribirán los genes para neurotransmisores. En el caso de la insulina es lo mismo, solamente las células pancreáticas tienen la capacidad de generar insulina, toda las otras células del organismo jamás transcriben el gen para la insulina, solamente la célula pancreática transcribe ese gen y lo hace mucho porque solo el necesita secretar gran cantidad de insulina. Dependiendo del tipo celular que hablemos habrá genes que se transcribirán más o menos y también dependiendo del momento de la vida que estemos viviendo, las células se adaptan a las condiciones y van transmitiendo los genes que necesitan en ese momento secretando la proteína que necesitan en ese momento. Si un gen no tiene promotor no se puede transcribir. Hay genes sin promotores en las células eucariontes humanas, se llama pseudo genes y no se pueden transcribir nunca, pero jamás, existe en la célula eucarionte que el promotor de un gen regule la expresión de otro gen.

En las células procariontes hay un promotor que regula la expresión de varios genes por lo tanto se generara un solo RNAm que llevara la información para varias proteínas y ese RNAm se llama RNAm policistronico, esto tiene sentido en las bacterias ya que tienen ciclos de vida muy cortos, por lo tanto no pueden transcribir cada gen, sería una pérdida de tiempo, mejor transcriben un conjunto de genes relacionados entre sí generando solo un RNAm policistronico, eso jamás ocurre en una eucarionte, en ella cada gen tiene su promotor.

En las células eucariontes hay otro grado de complejidad dentro de los genes y es que algunos genes, no todos, poseen dentro de su secuencia regiones que son codificantes y regiones que son no codificantes que se llaman intrones y exones. Donde comienza el gen propiamente tal lo que debe ser transcrito se llama inicio de la transcripción y siempre

se determina con el numero +1 todo lo que está arriba de eso es corriente arriba o rio arriba y lo que está abajo es corriente abajo. Y además dentro de cada gen eucarionte (no pasa en las procariontes), dentro de la secuencia hay regiones codificantes que se llaman exones y no codificantes que se llaman intrones, la cantidad de intrones que hay dentro de un gen es variable y cuál será el tamaño del intron también es variable, cambia de un gen a otro y de una especie a otra. Hay genes eucariontes que no tienen intrones, si hay, pero la gran mayoría si tiene intrones. Entonces, sabemos que el promotor siempre esta corriente arriba del gen, esta antes del gen, es lo que determina la cadena que será transcrita para poder generar el RNA, es el lugar donde unirá la RNA polimerasa que generara la transcripción, por ende la molécula de RNA, determinara cuantas veces ese gen será transcrito por lo tanto pueden existir promotores fuertes (generara que el gen se transcriba muchas veces, por ejemplo, el promotor de la insulina es un promotor fuerte en el páncreas por que necesita generar mucha proteína insulina) y también hay promotores débiles (transcriben poco, crean una cantidad de proteínas pequeñas, las que son menos abundantes dentro de la célula).

Entonces dentro de las células procariontes (bacterias y archeas), tenemos que no tienen una separación entre el núcleo y el citoplasma, en estas células entonces tenemos el DNA de doble hebra donde será transcrito alguno de sus genes por lo tanto se generara un RNAm, y este RNAm se unirá a los ribosomas para generar la proteína a partir de la información que está en el RNAm. Como en las células procariontes no existe una separación entre núcleo y citoplasma todos estos procesos, es decir, la transcripción y la traducción posteriormente ocurren en el mismo espacio y de forma simultánea, es un proceso muy rápido, casi simultáneamente que se está creando el RNAm en un extremo, por el otro extremo se le están uniendo los ribosomas para sintetizar la proteína altiro, es bastante sencillo el proceso.

En las células eucariontes por tener un núcleo delimitado y dentro de ese núcleo estar contenido el DNA, el proceso es bastante más complicado. Tenemos entonces la transcripción del DNA, que va a generar una molécula de RNAm pero en este caso el RNAm será inmaduro o también conocido como pre RNAm, y para que este RNAm pueda salir desde el núcleo hacia el citoplasma para unirse a los ribosomas y poder se traducido, necesita madurar, necesita un procesamiento especifico que diga que el RNAm está listo para ser traducido. Por lo tanto el proceso transcripción y de procesamiento del RNA ocurre dentro del núcleo y el proceso de traducción ocurre en el citoplasma, es decir, ocurre todo en dos espacios separados, esto obviamente implica un proceso. Finalmente los niveles de proteína que encontremos en una célula van a depender de que cada una de estas etapas sea realizada de forma efectiva, si algo pasa en el camino de todo esto no llegaremos finalmente a la proteína, si hay un problema en la transcripción, si hay un problema en la maduración, si hay un problema en la traducción no vamos a lograr tener la proteína correcta en la célula.

Procesamiento RNAm en eucariontes

El RNAm inmaduro tiene tres procesos de maduración que son:

En el 5’ del RNAm inmaduro se le agrega una molécula que se llama CAP y el proceso se llama capping del 5’ y la molécula que se agrega es un nucleótido de guanina modificado químicamente.

En el 3’ del RNAm inmaduro se agrega una cola de poli A que es una secuencia lineal sucesiva de adenina que se agrega simplemente en el extremo 3’.

Se deben procesar los intrones (secuencias no codificantes de un gen, información que no es para una proteína) por lo tanto hay que eliminarla del RNAm para que cuando el RNAm sea traducido se genere la proteína correcta.

• El capping del 5’, es decir, se agrega este nucleótido modificado en el extremo 5’ del RNAm para evitar que allá una degradación del RNA. Por ejemplo cuando vimos los fragmentos de okazaki, cada fragmento tenía un fragmento de RNA original inicial, que era un primer de RNA, un partidos de RNA, un cebador de RNA, y ese partidor después tenía que ser eliminado por una nucleasa que es una enzima que elimina nucleótidos, entonces, están estas nucleasas que con enzimas que degradan nucleótidos y esas enzimas no discriminan degradan lo que encuentren, por lo tanto, si se encuentran con un RNAm también lo pueden degradar. Por eso es importante que a este RNAm se le agreguen estas secuencias o estas moléculas como el 5’ CAP, para evitar la degradación por las nucleasas y que de esa forma puedan viajar desde el núcleo hacia el citoplasma correctamente para poder ser traducidos. Auxilia el procesamiento del mRNA inmaduro. Ayudar en paso del RNA desde el núcleo al citosol.

• El corte y empalme de los intrones, un proceso que en realidad se llama splicing, es un proceso para eliminar los intrones. Tenemos entonces nuestro gen en el cual hay intrones que están interfiriendo nuestra secuencia y por lo tanto para generar el ARNm maduro hay que eliminar todas esas secuencias y unir correctamente las regiones que son codificantes para que después se pueda generar correctamente la proteína.

• El último paso del procesamiento es la poliadenilacion en el extremo 3’ del RNAm, que es agregar esta cola de adenina. La cola poli A puede tener hasta 200 nucleótidos de adenina en su cola, es larga, siempre se agrega en su extremo 3’, solo los RNAm tienen cola Poli A. Uno de transferencia o ribosomal no lo tienen, tampoco tienen el 5’ CAP.

Entonces en el caso de los RNAm en los procariontes son súper sencillos, la máxima complejidad que pudieran tener es que pueden ser RNAm policistronicos, es decir, un solo RNAm lleva la información para varias proteínas. Lo que se debe tener en cuenta es que siempre estas proteínas que están juntas en el RNAm policistronico son proteínas relacionadas dentro de una misma ruta metabólica, por ejemplo, cuando la bacteria necesita generar pared celular, transcribe todos esos genes necesarios para crear esa pared celular juntos en un mismo RNAm policistronico. Es una forma de ahorrar tiempo.

Y en el caso entonces en el caso de los RNAm eucariontes los RNAm inmaduros deben ser procesados agregando el extremo 5’ CAP, la cola Poli A y generando el splicing.

Splicing de los intrones

Tenemos un gen sencillo solo con un intron al medio interrumpiendo la secuencia codificante. Entonces lo que tiene que hacer la célula es eliminar este intron de forma que pueda juntar el primer exón con el segundo exón y generar solo la secuencia codificante. Ahora este proceso debe ser preciso, porque si la célula se equivoca en este procesamiento del intron y deja un nucleótido del intron entremedio cambiara el marco de lectura hacia adelante o si se equivoca en el procesamiento y saca un pedacito del exón perderá secuencia que es importante para la generación de la proteína. En este procesamiento no se puede perder ni ganar ni un solo nucleótido, tiene que ser preciso y liberar solo lo que corresponde. Esto se logra gracias a una maquinaria compleja en la que participan muchas proteínas y enzimas y también los small RNA. La célula sabe qué y reconoce lo que tiene que sacar y mantener dentro de la secuencia gracias a que en todos los intrones siempre en su comienzo se encuentra una secuencia particular y al final también hay una secuencia particular y al centro también hay una secuencia particular que se conoce como A que es una A reactiva que es sumamente importante en el procesamiento del intron. Gracias a esas secuencias es que la célula reconoce que hay un intron y que por lo tanto ese es el segmento que debe eliminar de ese RNAm. En muchos genes eucariontes complejos, genes que tienen muchos intrones, además puede haber un procesamiento alternativo de los exones, es decir, a partir de un gen que tiene muchos intrones y por ende muchos exones, se puede procesar de tal forma que por ejemplo, se genera un RNAm maduro uniendo el primer exón con el tercer exón saltándose el segundo exón, eliminando no solo el intron, sino que también el exón, y junto el primero con el tercero y después se salto el 5to, tampoco unió el 4to y de esa manera genero un RNAm que le permitirá sintetizar una proteína particular, pero en otra situación de la célula, o en otro tipo celular, ese mismo gen, puede se procesado de otra manera uniendo otros exones, por ejemplo en otro caso se une el primer exón con el segundo exón y de ahí se sala al quinto y no une ni el 3ro ni el 4to, por lo tanto este RNAm será diferente al anterior, la proteína que se genere será diferente, es una proteína parecida por que viene en base al mismo gen, y hay muchas partes de la secuencia que la comparten, pero no es la misma proteína, dependiendo entonces de cómo se procesen los intrones y los exones se generaran diferentes RNAm y por lo tanto se podrán diferenciar diferentes proteínas y eso se llama procesamiento alternativo de intrones, que no le ocurre a todos los genes pero si en algunos complejos que son importantes para la vida de la célula. El procesamiento del intron ocurre gracias a la A reactiva que interactúa con el comienzo del intron con la secuencia que esta al comienzo formando una especie de lazo y finalmente el final del primer exón se junta con el principio del siguiente exón y se elimina el intron como un lazo siempre unido a través de esa A reactiva. El que hace este proceso es una maquinaria compleja que se llama spliceosome que está formado por diferentes moléculas formadas por muchas proteínas, pero además de estas proteínas que forman al spliceosome, hay RNA pequeños nucleares que forman el spliceosome que permite el splicing de los intrones. Finalmente una vez que tenemos nuestro RNAm maduro, tiene su CAP 5’ su cola Poli A’ en el 3’ y ya se eliminaron los intrones de forma correcta este RNAm sale hacia el citoplasma a través de unos poros nucleares que se encuentran en la membrana nuclear, en estos poros nucleares hay complejos proteicos

que confirman que el RNAm que está saliendo este maduro y que no se salga nada que no esté listo para ser traducido y una vez que sale entonces este RNAm maduro se le unen los ribosomas en el citoplasma y se traduce la proteína que estaba contenida ahí en la información de ese RNAm. Un grupo especializado de proteínas de unión al RNA marca los mRNA maduros para ser exportados al citoplasma. Los intrones una vez que son sacados de la secuencia son reutilizados desgenerandose en nucleótidos individuales para formar un nuevo RNAm. Una vez que se genera el ARNm maduro en las células eucariontes y sale al citoplasma este RNAm se asocia a los ribosomas, el ribosoma se ensambla sobre el RNAm, se pueden ensamblar muchos ribosomas en un mismo RNAm y cada uno de estos ribosomas puede generar una proteína. Un poliribosoma es la asociación de múltiples ribosomas sobre un mismo RNAm para sintetizar muchas proteínas a partir de un mismo RNAm.

Resumen1. Las bacterias tienen un solo un tipo de RNA polimerasa, en cambio los

eucariontes tienen 3 RNA polimerasas designadas I, II y III.2. El mRNA de eucariontes es sintetizado por la RNA polimerasa II. 3. En algunos genes el producto final es una molécula de RNA y no una

proteína. Para esos genes, el DNA es transcrito por la RNA polimerasa I o la RNA polimerasa III.

4. La RNA polimerasa I hace el RNA ribosomal. Después de su síntesis como un precursor voluminoso, el rRNA es modificado químicamente, cortado y ensamblado en un ribosoma. Este proceso ocurre en el nucléolo, una estructura sub-nuclear especializada en el procesamiento de complejos RNA-proteína.

5. Los mRNA eucariontes sufren un proceso de maduración (5’CAP, poliadenilación y splicing) necesarios para ser exportados hacia el citoplasma, en donde serán traducidos por los ribosomas.

Transcripción Inversa o Reversa

Es un proceso que nunca ocurre en las células eucariontes y procariontes de forma natural por lo tanto si no ocurre en las eucariontes ni en las procariontes ocurre en los virus. Cuando generamos una hebra de DNA de doble hebra a partir de una molécula de RNA ese proceso se llama transcripción inversa o reversa, que no es lo que ocurre de forma natural, donde todo fluía desde DNA hacia RNA, es opuesto, se genera un DNA de doble hebra a partir de un RNA. Esto ocurre solo en los virus. La transcripción reversa es un proceso que se da en los retrovirus, hay varios tipos de virus sumamente variados y diferentes que son capaces de infectar diferentes tipos celulares, aun no son escritos los virus que infectan archeas. Cada uno de estos virus está formado por una molécula que en el centro tiene información genética que varía de un virus a otro, puede ser contenida en DNA o en ARN, el DNA puede ser única, doble, circular, más de una hebra, al igual que el RNA. Alrededor de la molécula de información genética hay una cubierta proteica que forma la capside que protege la información genética, en los retrovirus esta

información genética está formada por una molécula de RNA que es lineal y tiene alrededor una cubierta formada por proteínas y en algunos virus esa cubierta es casi como una membrana, un virus no tiene organelos, citoplasma, etc., solo es material genético cubierto por proteínas. En este material genético lleva información justa y precisa para infectar una célula y replicar su material y generar su cubierta proteica, todo el resto que necesita el virus lo parasita la célula que infecta, en este caso de los retrovirus contiene un RNA que contiene la información un gen que sintetiza una proteína que se llama transcriptasa reversa que es la enzima capaz de sintetizar DNA a partir de RNA. Que no existe en la naturaleza en ningún otro tipo celular, solamente existe en los retrovirus.

El ciclo lítico (mata la célula huésped que parasita, genera una lisis, explota, el mejor ejemplo son los virus, los herpes uno siente que explota y es efectivamente eso lo que pasa, la célula explota por la cantidad de virus que contiene) de estos retrovirus. Un virus fusiona su membrana, sus proteínas de su capside a la membrana de la célula que esta parasitando, e inyecta su contenido genético al interior de la célula, en este caso el retrovirus inyecta su RNA y como tiene su transcriptasa reversa a partir de este RNA se genera una molécula de DNA de doble hebra que entra al núcleo de la célula y se integra entonces al DNA de la célula huésped, y cuando esta célula huésped transcriba sus genes también transcribe los gens del virus, cuando la célula huésped replique su DNA se replicara también la parte del DNA del virus y de esa manera se multiplica el virus, se va a transcribir, se van a generar las proteínas necesarias para formar dentro de la célula miles de millones de nuevas partículas virales hasta que la célula se revienta y libera al medio extracelular miles de partículas virales que infectan otras células. Hay dos enfermedades provocadas por el retrovirus que son típicas en los humanos el SIDA y el virus linfotrópicos de células T humanas, que son dos tipos de virus que infectan linfocitos, afectan el sistema inmune de los individuos que atacan por eso la gente son SIDA es inmunodeprimida, por que las células del sistema inmune están infectadas por estos virus, generalmente mueren por neumonitis u otra cosa.