INGENIERÍA GENÉTICA

Los genes

 

Lo genes son las secuencias de nucleótidos en la cadena del ADN que codifican para ciertas proteínas.

 

 

 

         En las células eucariotas los genes que codifican las proteínas para ciertas rutas metabólicas no están organizados ni agrupados como en las células procariotas.  Estos genes pueden estar dispersos en diferentes cromosomas, además dentro de la cadena de ADN, la secuencia de un gen puede estar salteado en otras secuencias llamados “intrones”. En contra posición los segmentos de secuencia que si codifican para una proteína se llaman exones.

 

         Esta estructura de los genes hace que diferentes empalmes entre exones, produzcan diferentes proteínas. Así que un gen puede transcribir para diferentes proteínas dependiendo la forma de empalme.

 

         Es por esto que, cuando se sintetiza el ARN mensajero, primero se forma un pre-ARNm que lleva intrones que le ayudan a llegar a los ribosomas y en el camino va perdiendo estos intrones y formándose un ARNm maduro constituido de exones solamente.

 

 

 

 

 

 

 

 

Los codones son la secuencia de tres bases que codifican un aminoácido.

Como hay más combinaciones de bases que aminoácidos, un aminoácido puede resultar de diferentes combinaciones.

 

La tabla siguiente muestra este código:

En el código genético:

        

         1.-EL codón AUG que codifica al aminoácido metionina, indica el inicio del código de una proteína. Después de sintetizar la proteína esta metionina se puede eliminar.

         2.- Tres codones UAG, UAA y UGA son los indicadores del término de la proteína

 

 

TRANCRIPCION DE LA INFORMACION DE ADN AL pre-ARNm.

 

         1.-Iniciacion: El ARN polimerasa (una enzima) sintetiza el ARN.

                   a.- Esta enzima detecta el inicio de un gen en el ADN ubicando un código llamado promotor. Este promotor está constituido por una secuencia TATAAA que es la que se une a la enzima (ARN polimerasa) y otras secuencias después de esta, llamadas “sitios de unión del factor de transcripción” o “elementos de respuesta”.

        

         b.- En este proceso entran en juego los “factores de transcripción”, que son proteínas específicas que se unen a los sitios de unión del factor de transcripción en el ADN y ayudan o impiden la unión de la enzima (ARN polimerasa) con el promotor en el ADN. Lo cual provoca que se realice o no la transcripción del gen.

                  

         c.-Cuando estos factores de transcripción permiten que la enzima (ARN polimerasa) se una correctamente con el promotor del gen que está en el ADN, entonces la doble hélice de este ADN se desenrolla para comenzar la transcripción.

2.-Alargamiento

                   El ARN polimerasa continua el alargamiento al mismo tiempo que sintetiza una cadena de ARN con bases complementarias a las del ADN que va abriendo. Los hace de la mismo forma que se generan las dos cadenas de ADN, con la única diferencia de que, como en el ARN tiene uracilo en lugar de timina, este se aparea con la adenina.

 

                   Conforme se va construyendo la cadena de ARN, también se va desenlazando del ADN y las dobles hélices se vuelven a enrollar. El ARN polimerasa (la enzima) va a abriendo las dobles hélices del ADn y va sintetizando el ARN hasta que llega a una “señal de terminación”.

 

         3.-Terminacion

                   En este punto, la enzima suelta el ARN sintetizado y se desprende del ADN para continuar con otro proceso de transcripción.

 

Como recordaras la secuencia de los genes en el ADN están salteados por intrones, así que con este código se forma el pre-ARNm, el cual tiene estos intrones al inicio, en medio y al final de la molécula.

 

Estos intrones le ayudan al pre-ARNm a llegar a los ribosomas, ya sea para que las enzimas del citoplasma no dividan este código o para salir del núcleo.

 

En el camino gracias al “splicing” o “ayuste”, el pre-ARNm va perdiendo estos intrones y se va formado un ARNm maduro que llega a los ribosomas para sintetizar proteínas.

 

 

 

 

 

Los Ribosomas

 

         Una vez que el ARNm maduro llega a los ribosomas se comienza con la traducción del código genético.

 

Los ribosomas son estructuras que están compuestas por ARNr (ARN ribosomico) y muchos tipos de proteínas. Dividido en 2 sub-unidades físicas; una pequeña y otra grande.

         La sub-unidad pequeña llamado el complejo de iniciación recibe al ARNm.

         La sub-unidad más grande es donde se van ensamblando los aminoácidos.

Estas dos sub-unidades abrazan al ARNm de la forma de un sándwich.

El ARNt (de transferencia) con la ayuda de ciertas enzimas del citoplasma hacen que determinados nucleótidos se adhieran a ARNt para que sean transportados a los ribosomas y este disponibles para la síntesis de las proteínas.

 

EL ARNm se aparea con el ARNt

         El ARNm lleva un aminoácido en cada anticodón de su secuencia. Este anticodón se acoplará con el codón de un ARNm. Cuando resulta este acoplamiento, el ARNt que trae consigo cierto aminoácido lo libera para que sea incorporado a la cadena que formará una proteína.

 

 

Por ejemplo, un codón de ARNm AUG se acopla con un anticodón UAC de un ARNt en cuyo extremo esta un aminoácido metionina que será liberado a la cadena.

Recuerde que es el código del ARNm el que se relaciona con los aminoácidos y no el código del ARNt, aunque sean complementarios.

El proceso inicia cuando el complejo de iniciación del ribosoma recibe un ARNm con el código inicial AUG. Que es la instrucción universal en las células eucariotas para iniciar una síntesis de cualquier proteína.

 

Inmediatamente después las dos subunidades del ribosoma se compactan para envolver al ARNm en forma de sándwich para comenzar la concatenación de aminoácidos hasta que cierta señal le indique al ribosoma que debe de parar.

 

La sub-unidad mayor del ribosoma es la que va rompiendo los enlaces entre los aminoácidos y el ARNt, y luego, este mismo ARNt es el que cataliza los enlaces peptídicos con los que se unirán los aminoácidos. Por esta razón, en ocasiones a este ARNt se le llama “ribozima”.

 

De esta manera los anti codones del ARNt se van acoplando a los codones del ARNm para ir formando la cadena de aminoácidos que crearan la proteína indicada.

 

 

Por último, llega el codón de terminación en ARNm, que le indica al ribosoma que debe terminar la cadena de aminoácidos. Este codón de terminación no se une a la cadena de ARNt, si no que el ribosoma lo detecta a través de unas proteínas de liberación y hacen que el ribosoma suelte la cadena de aminoácidos fabricada (la proteína).

 

Los ribosomas se separan en sus subunidades hasta que vuelvan a ocuparse para otra síntesis de proteínas.

 

MUTACIONES GENETICAS

 

Las mutaciones genéticas pueden categorizarse de la siguiente forma:

 

         1.-Sustituciones

                  En estas mutaciones donde se modifican nucleótidos puntuales puede pasar las siguientes consecuencias:

                            a.-Si el nucleótido que cambio lo hace por otro que codifica al mismo aminoácido, entonces la proteína resultante será la misma y no tendrá ninguna consecuencia.

                            b.-Si el nucleótido codifica a otro aminoácido, pero este aminoácido provoca que la proteína resultante tenga las mismas cualidades biológicas que la proteína original, entonces la mutación no tendrá consecuencias. (mutaciones neutras)

                            c.-Si el nucleótido codifica un aminoácido que hace que la proteína resultante no realice su función en el organismo, esto tendrá consecuencias severas.

                            d.-Si el nucleótido codifica para un aminoácido que da la señal prematura de terminación de un aminoácido, esto tendrá consecuencias graves en el funcionamiento de la proteína incompleta.

                  

 

 

         2.-Deleciones e inserciones

                   Esto ocurre cuando se agregan o eliminan nucleótidos a la cadena de un gen que puede tener múltiples consecuencias dependiendo de la clase de la mutación. Por ejemplo, si se agregan o se eliminan 3 nucleótidos, se agregarán o se eliminaran al final un aminoácido de una proteína, si esta proteína está constituida por cientos de aminoácidos, tal vez la falta o el exceso de uno, no tenga repercusiones en la función de esta proteína, pero si es una proteína con pocos aminoácidos, su función se puede ver afectada severamente. Además, si se agregan o se eliminan nucleótidos que no sea múltiplos de 3, el código de todos los aminoácidos que le siguen en la cadena, se verá afectado, porque los codones se desplazaran según los nucleótidos agregados o eliminados.

 

 

 

 

         3.-Inversiones o translocaciones

                   Ocurre cuando fragmentos del ADN se separan y se reacomodan en el mismo cromosoma o en otro cromosoma. Si este fragmento representa un gen entero, entonces la mutación es benigna, ya que se podrá seguir codificando la proteína de ese gen. Pero si solo unas partes del gen se cambian, entonces la proteína que codificaba ya no podrá ser producida con sus consecuencias para el organismo

 

 

 

REGULACION DE LA EXPRESION DE LOS GENES

 

El ser humano tiene alrededor de 21,000 genes en sus 23 pares de cromosomas.

 

Casi todas las células del cuerpo humano contienen todos estos genes, pero cada célula individual solo expresa una porción de todos estos genes.

Es decir, que, aunque las células tengan toda la información para producir todas las proteínas del cuerpo, las células individuales solo transcriben y sintetizan solo unas pocas proteínas, las que les corresponde según sea el tipo de célula, según una determinada etapa de la vida del organismo y según las condiciones ambientales que vive el organismo.

 

Existen 3 niveles de regulación de la expresión de los genes:

         1.-A nivel de transcripción donde se codifica la proteína a producir

         2.-A nivel de traducción donde se determina la cantidad de la proteína a producir

         3.-y dinámica de la proteína que determina la rapidez con que esta proteína cataliza otras reacciones.

 

 

REGULACION DE LA EXPRESION DE LOS GENES EN LAS CELULAS PROCARIOTAS

 

Por ser más sencillo este proceso, se explica primero de forma resumida:

 

Como los genes esta organizados de forma diferentes a los de la célula eucariota se dan estos procesos:

 

         Los genes que codifican para proteínas o enzimas que tienen una función muy relacionado en el cuerpo de la bacteria se organizan formando “operones” en el ADN

         Los operones son estructuras de código genético que producen estas proteínas relacionadas pero que además cuentan con otros elementos como un promotor que indica el inicio del operador, un regulador que determina la velocidad con que será transcripto el código y un supresor que determinará en qué condiciones no se podrá transcribir el código y por lo tanto no habrá producción de esas proteínas o enzimas.

 

         Algunos operones sintetizan todo el tiempo proteínas o enzimas que la célula necesita regularmente para su sobrevivencia, otros operones lo hacen solo en determinadas condiciones especiales  y otros se detienen en otras circunstancias especiales, por ejemplo cuando hay demasiado de cierto aminoácido o proteínas producido por ese operador.

 

Por ejemplo, en las bacterias, que pueden metabolizar lactosa, tiene un operador para producir las enzimas que degradan la lactosa, este operador tiene un supresor que en el caso de que entre lactosa a la bacteria se unirá con el supresor y el supresor dejara de reprimir la transcripción de este operador, desencadenando la producción de las proteínas y enzimas que se necesitan para metabolizar la lactosa.

 

REGULACION DE LA EXPRESION DE LOS GENES EN LAS CELULAS EUCARIOTAS

 

Debido a que las células eucariotas presentan diferentes situaciones como:

         Las células eucariotas se pueden diferencias entre ellas y las funciones en las que se especializan

 

         Las células eucariotas contienen un núcleo donde está el ADN

 

         Los genes se organizan de forma diferentes en los cromosomas

 

         EL proceso de transcripción es diferente a las células procariotas

 

Además:

 

        

 

El proceso de regulación tiene también estas características:

 

         1.- Las células eucariotas regulan la frecuencia de transcripción dependiente del tipo de célula que sea dentro del organismo, dependiendo de la demanda de la proteína que codifica, también depende la etapa de vida del organismo al que pertenece y de las condiciones a las que en ese momento se enfrenta.

         2.-Un mismo gen se puede usar para producir diferentes ARNm y así producir diferentes aminoácidos y proteínas al final del proceso.

         3.-En muchas ocasiones, además de la síntesis de ciertas proteínas, todavía es necesario modificarla para que pueda ejercer su función. Como las enzimas de la pared estomacal, que se sintetizan siendo inactivas hasta llegar al intestino se activan para ejercer su función.

         4.-El tiempo de vida de las proteínas producidas está altamente regulado por las células del organismo

         5.-Por último, la regulación de la transcripción se puede realizar de otras 3 formas diferentes:

                   a.-A través del gen individual

                   b.-Por regiones de los cromosomas

                   c.-Por cromosoma completo

 

 

Como recordaras existen zonas de los cromosomas que no se transcriben ya sea porque forman parte de la estructura del mismo cromosoma o porque el ADN está demasiado condensado para ser transcrito por el ARN polimerasa.

Cuando se requieren las proteínas de estas zonas muy condensadas primero se tienen que aflojar para que el ARN polimerasa pueda pasar a transcribir el código.

En otros casos, también existen cromosomas homólogos que están completamente inactivos y la otra parte esta activa.

 

 

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