Biología molecular 2 (traducción, expresión génica y código genético)

El llamado dogma central de la biología molecular describe el flujo normal de la información genética:

$$\text{ADN} \xrightarrow{\text{transcripción}} \text{ARN} \xrightarrow{\text{traducción}} \text{proteína}$$

Este flujo se conoce como expresión génica: el proceso mediante el cual la información de un gen se convierte en un producto funcional. En las células eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo; el ARNm transcrito y procesado sale al citoplasma, donde la traducción se lleva a cabo en los ribosomas.

La expresión génica diferencial explica un fenómeno que vale la pena comprender: todas las células de un mismo organismo poseen, en principio, la misma información genética. Sin embargo, una neurona y un hepatocito son completamente distintos en forma y función porque expresan genes diferentes. La neurona enciende genes relacionados con la transmisión de impulsos; el hepatocito enciende genes de enzimas metabólicas. No es que tengan distinto ADN, sino que leen selectivamente distintas regiones de ese ADN.

En procariotas, al no existir núcleo, la transcripción y la traducción pueden ocurrir de manera simultánea en el citoplasma. En eucariotas, en cambio, están separadas en el tiempo y el espacio por la envoltura nuclear.

En células eucariotas, el ARN recién transcrito no está listo para ser traducido. Se le llama pre-ARNm o ARN heterogéneo nuclear (ARNhn). Debe pasar por un proceso de maduración que incluye:

1. Adición de la caperuza o cap 5’: se añade una 7-metilguanosina en el extremo 5’. Esta estructura protege al ARNm de la degradación y ayuda a que el ribosoma lo reconozca para iniciar la traducción.

2. Poliadenilación: se añade una cola de muchos nucleótidos de adenina, llamada cola poli-A, en el extremo 3’. También protege al ARNm y facilita su exportación al citoplasma.

3. Splicing (corte y empalme): el transcrito primario contiene segmentos codificantes llamados exones y segmentos no codificantes llamados intrones. En el splicing, los intrones se eliminan y los exones se unen, formando el ARNm maduro.

Este procesamiento es fundamental. De hecho, una misma secuencia de ARN puede empalmarse de maneras distintas (splicing alternativo), lo que permite que un solo gen produzca varias proteínas diferentes.

Cuando un investigador inserta un gen eucariota en una bacteria, la bacteria transcribe y traduce el gen, pero no puede retirar los intrones, porque las bacterias no realizan splicing. Como resultado, la proteína producida suele ser más larga y no funcional. Este punto se ha evaluado en exámenes de admisión.

El código genético es la relación entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos en una proteína. Sus reglas son universales, aunque existen pequeñas excepciones en mitocondrias y algunos microorganismos.

3.1 ¿Por qué los codones son tripletes?

Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos estándar. Si cada base nitrogenada codificara un aminoácido, solo habría 4 posibilidades ($4^1 = 4$), lo cual es insuficiente. Si usáramos pares de bases, habría $4^2 = 16$, todavía insuficiente. Al agrupar de a tres bases, se obtienen $4^3 = 64$ combinaciones posibles, más que suficientes para los 20 aminoácidos.

Por eso, en el ARNm, cada codón está formado por tres nucleótidos consecutivos.

3.2 Características del código genético

• Está en tripletes: cada aminoácido es especificado por un grupo de tres bases.

• Es degenerado o redundante: varios codones diferentes pueden codificar el mismo aminoácido. Por ejemplo, la leucina puede ser codificada por UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG. Esta redundancia protege a la célula: muchas mutaciones que cambian una base no alteran el aminoácido incorporado, porque el nuevo codón puede sinónimos.

• Es específico o no ambiguo: un codón dado codifica siempre un solo aminoácido. No hay ambigüedad.

• Tiene codones de inicio y de terminación: el codón AUG codifica metionina y actúa como codón de inicio de la traducción. Los codones UAA, UAG y UGA son codones de terminación o de parada; no codifican aminoácidos, sino que indican el final de la cadena polipeptídica.

• Es continuo y sin superposiciones: la lectura del ARNm se hace de tres en tres bases, sin saltos y sin que un nucleótido pertenezca a dos codones a la vez. El marco de lectura lo establece el codón de inicio AUG.

• Es universal: en la gran mayoría de los seres vivos, los mismos codones codifican los mismos aminoácidos.

Tabla simplificada del código genético: codones de inicio y terminación

3.3 Los 64 codones en números

De los 64 codones posibles:

• 61 codifican aminoácidos.
• 3 son codones de terminación: UAA, UAG, UGA.
• AUG es el codón de inicio y también codifica metionina.

Este dato numérico es muy importante para resolver ejercicios. Por ejemplo, si una proteína tiene $n$ aminoácidos, el ARNm maduro que la codifica debe contener al menos $n + 1$ codones: $n$ codones para los aminoácidos y 1 codón de terminación. Por lo tanto, el número de bases del ARNm es $3(n+1)$.

La traducción es un trabajo en equipo. Intervienen:

1. ARN mensajero (ARNm): contiene los codones que especifican la secuencia de aminoácidos. Es lineal y se lee desde el extremo 5' hacia el 3'.

2. ARN de transferencia (ARNt): es un adaptador molecular. En un extremo lleva el anticodón, un triplete complementario al codón del ARNm; en el otro extremo se une al aminoácido correspondiente. Tiene estructura de trébol.

3. ARN ribosomal (ARNr): forma parte de los ribosomas, junto con proteínas. Tiene función estructural y catalítica.

4. Ribosomas: complejos macromoleculares que llevan a cabo la síntesis proteica. Poseen dos subunidades: menor y mayor.

5. Aminoácidos: los 20 monómeros de las proteínas. Algunos son esenciales, es decir, el organismo no puede sintetizarlos y debe obtenerlos de la dieta. Si falta uno de ellos, la traducción de proteínas que lo requieran se detiene.

6. Enzimas y factores proteicos: entre ellas, la aminoacil-ARNt sintetasa, que une cada aminoácido a su ARNt correspondiente; y los factores de iniciación, elongación y terminación, que regulan las etapas de la traducción.

La unión del aminoácido a su ARNt se llama carga del ARNt y consume ATP:

$$\text{aminoácido} + \text{ARNt} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{aminoacil-ARNt sintetasa}} \text{ARNt-aminoacil} + \text{AMP} + \text{PPi}$$

Este paso es esencial para que el ribosoma pueda incorporar el aminoácido correcto en la cadena peptídica.

El ribosoma es la máquina molecular de la traducción. Está formado por dos subunidades, cada una compuesta por ARNr y proteínas.

La subunidad menor se encarga de reconocer y unirse al ARNm, y participa en el descifrado del codón.

La subunidad mayor posee el centro catalítico donde se forma el enlace peptídico. Esta actividad es catalizada por la peptidiltransferasa, que es una ribozima: la actividad enzimática reside en el ARNr de la subunidad mayor, no en una proteína.

Durante la traducción, el ribosoma presenta tres sitios de unión para el ARNt:

• Sitio A (aminoacil): recibe al ARNt cargado con el nuevo aminoácido.
• Sitio P (peptidil): contiene al ARNt unido a la cadena peptídica en crecimiento.
• Sitio E (de salida): por donde sale el ARNt ya descargado.

El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en dirección 5'→3', leyendo los codones uno por uno.

La traducción se divide en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

6.1 Iniciación

En eucariotas:

1. La subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5' del ARNm maduro y se desplaza hasta localizar el codón de inicio AUG.

2. Un ARNt iniciador cargado con metionina se empareja con el codón AUG mediante su anticodón. Este ARNt se ubica en el sitio P.

3. La subunidad mayor se une al complejo, formando el ribosoma completo (80S en eucariotas).

En procariotas, el primer aminoácido es una formilmetionina (fMet) y el ARNm posee una secuencia llamada Shine-Dalgarno que ayuda a la subunidad menor a ubicar el inicio.

6.2 Elongación

La elongación es un ciclo que se repite por cada aminoácido añadido:

1. Llegada del ARNt cargado: un ARNt cuyo anticodón es complementario al codón del ARNm entra al sitio A del ribosoma.

2. Formación del enlace peptídico: el grupo amino del aminoácido del sitio A reacciona con el extremo carboxilo de la metionina (o del péptido naciente) unido al ARNt del sitio P. La peptidiltransferasa cataliza esta reacción. Como resultado, la cadena peptídica se transfiere al ARNt del sitio A, alargándose en un aminoácido.

3. Translocación: el ribosoma se desplaza un codón hacia el extremo 3' del ARNm, con consumo de GTP. El ARNt del sitio P, ya sin aminoácido, pasa al sitio E y sale; el ARNt con la cadena peptídica pasa del sitio A al sitio P; el sitio A queda libre para recibir el siguiente ARNt.

El ciclo se repite codón por codón.

6.3 Terminación

Cuando un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) llega al sitio A, no existe ARNt complementario. En su lugar, se unen factores de liberación, que provocan la hidrólisis del enlace entre el último ARNt y la cadena polipeptídica. La cadena se libera, el ribosoma se disocia en sus dos subunidades y el ARNm queda libre.

Un mismo ARNm puede ser traducido por varios ribosomas a la vez, formando un polirribosoma o polisoma. Esto acelera la síntesis de proteínas.

Los problemas de secuencias son habituales en el examen. Para resolverlos correctamente, debes dominar la lógica de complementariedad.

Recuerda:

• La transcripción produce ARNm copiando la cadena molde del ADN. La ARN polimerasa lee el molde en dirección 3'→5' y sintetiza el ARN en dirección 5'→3'.
• La complementariedad ADN→ARN es: A del ADN → U en el ARN; T del ADN → A en el ARN; G→C y C→G.
• El anticodón del ARNt es complementario al codón del ARNm.

Por ejemplo, si tienes el ARNm:

$$5' \text{ AUG CCG ACG GAA } 3'$$

La cadena molde de ADN que lo originó debe ser complementaria y antiparalela:

$$3' \text{ TAC GGC TGC CTT } 5'$$

Observa que, al leer el molde 3'→5', cada triplete origina un codón 5'→3'.

Si el problema te da el anticodón y te pide el ADN, debes hacer la doble complementariedad:

1. Del anticodón obtienes el codón del ARNm por complementariedad.
2. Del codón obtienes el ADN molde por complementariedad.

Un error común es olvidar la orientación: si el ARNm está en sentido 5'→3', la cadena molde debe escribirse en sentido 3'→5'. También es común confundir la cadena molde con la cadena codificante. La cadena codificante del ADN tiene la misma secuencia que el ARNm, pero con T en lugar de U; la cadena molde es su complementaria.

No todos los genes se expresan al mismo tiempo ni en todas las células. La regulación de la expresión génica permite que cada célula produzca solo las proteínas que necesita.

La regulación puede ocurrir en varios niveles:

• Nivel transcripcional: controlando cuántas veces se transcribe un gen.
• Nivel postranscripcional: mediante el procesamiento del ARNm.
• Nivel traduccional: controlando la iniciación o elongación de la traducción.
• Nivel postraduccional: mediante la modificación o degradación de proteínas.

La diferenciación celular es una consecuencia de la expresión génica diferencial: todas las células somáticas poseen el mismo ADN, pero activan conjuntos distintos de genes.

Si en un experimento se inhibe la transcripción, la célula produce menos ARNm y, como consecuencia, menos proteínas. Si se inhibe la traducción, el ARNm puede seguir presente, pero no se fabricarán nuevas proteínas.

Las mutaciones son cambios en la secuencia del ADN. Una mutación silenciosa es aquella que cambia un nucleótido, pero no altera el aminoácido codificado. Esto es posible gracias a la degeneración del código genético: varios codones pueden codificar el mismo aminoácido.

Las bacterias no se reproducen sexualmente, pero pueden intercambiar material genético mediante mecanismos llamados parasexuales:

1. Transformación: la bacteria capta ADN libre del medio.

2. Conjugación: una bacteria donadora transfiere ADN a otra receptora a través de un puente o pili sexual.

3. Transducción: la transferencia de genes bacterianos se realiza mediante bacteriófagos (virus que infectan bacterias). Durante la infección, un fago puede empaquetar accidentalmente fragmentos de ADN bacteriano y llevarlos a otra bacteria en una infección posterior.

El dogma central tiene una excepción importante: los retrovirus, como el VIH, poseen ARN como material genético y una enzima llamada transcriptasa reversa que convierte su ARN en ADN:

$$\text{ARN viral} \xrightarrow{\text{transcriptasa reversa}} \text{ADN}$$

Ese ADN puede integrarse al genoma de la célula hospedera. El VIH infecta principalmente a los linfocitos T CD4 (auxiliares), no a las células plasmáticas. La transcriptasa reversa es codificada por el genoma del virus, no por los linfocitos.