B.6. IMPORTANCIA DE LA REGULACIÓN GÉNICA: SU IMPORTANCIA EN LA DIFERENCIACIÓN CELULAR

  Para no despilfarrar energía ni moléculas orgánicas, es necesario que la célula controle muy bien la expresión génica, la cual se hace fundamentalmente a nivel de transcripción, ya que así se evita incluso producir ARNm innecesarios (si se hiciera a nivel de traducción ya se habrían malgastado nucleótidos-trifosfato altamente energéticos para fabricar el ARN).

El proceso es diferente en procariotas y en eucariotas, siendo decisivo en éstos últimos cuando son pluricelulares, ya que el silenciamiento o inhibición de ciertos genes y la activación de otros es lo que hace que las células se vayan diferenciando y se produzca la especialización celular, necesaria para la formación de los diferentes tejidos y órganos.

En procariotas, destaca el Operón lac, que interviene en el catabolismo de la lactosa. Es un ejemplo de regulación inducible donde el inductor es el propio sustrato a catabolizar (la lactosa). Consta de un gen regulador, que produce una proteína represora; el promotor, al que se une la ARN pol, el operador, al que se une el represor, impidiendo el trabajo de la ARN pol y los genes estructurales (3).

El operón lac está controlado (además de por la presencia de glucosa, pues habiendo ésta no hace falta catabolizar la lactosa) por la lactosa, pues hay una proteína represora, sintetizada por otro gen,  que se une al operador (entre el promotor y los genes estructurales), evitando que la ARNpol lea los genes siguientes:


Sin embargo, en presencia de un inductor, que es la lactosa, éste se une al represor, haciendo que se separe o no se pueda unir al operador, con lo cual la ARNpol puede leer los genes:


Operón His
En las rutas anabólicas, como las de biosíntesis de aa, el control suele ser diferente al de la ruta catabólica anterior. Por ejemplo, en la biosíntesis de His, ésta actúa como correpresor, uniéndose al represor.
Sentido biológico: cuando ya hay suficiente His en la c., se reprime la creación de enzimas necesarias para su biosíntesis:

En eucariotas, la metilación de nucleótidos (C) y la acetilación de las histonas son importantes factores epigenómicos. El 2º proceso interviene en el grado de compactación de la cromatina y, por tanto, determina el acceso de la ARN pol  a los genes. El epigenoma hace que dos personas con el mismo genoma (como dos gemelos idénticos), tengan diferente transcriptoma (conjunto deARNm en la célula) y proteoma (conjunto de las proteínas celulares), ya que si han seguido diferentes hábitos, uno tendrá mayor número de señales epigenómicas que el otro. 

En pluricelulares, las características particulares de cada célula dependen de los genes que se expresen en ella (p.ej. una célula de los islotes de Langerhans del páncreas va a sintetizar insulina, de modo que el gen de la insulina solo se expresa en estas células).

En eucariotas, la expresión génica se puede regular a distintos niveles: 

- el grado de condensación de la cromatina (eucromatina menos condensada, es la que se transcribe, y heterocromatina, más condensada, no se transcribe o lo hace menos) .

- la transcripción.

- la maduración postranscripcional del ARNm. p.ej. según se lleve  acabo el empalme de los exones, pueden formarse diferentes proteínas.

B.5.3. TIPOS DE MUTACIONES Y CONSECUENCIAS QUE PROVOCAN

 Tipos: 

1. Mutaciones génicas o moleculares: afectan a la secuencia de bases del ADN.

2. Mutaciones cromosómicas: afectan a la estructura de los cromosomas.

3. 3. Mutaciones genómicas: afectan al número de cromosomas

  I. Aneuploidías

  a) Que afectan a los autosomas (ej. Down).

   b) Que afectan a los cromosomas sexuales (ej. Klinefelter)

II. Poliploidía

B.5.2. CAUSAS DE LAS MUTACIONES Y TIPOS DE AGENTES MUTAGÉNICOS

 MUTACIONES ESPONTÁNEAS E INDUCIDAS: las mutaciones espontáneas son consecuencia del propio proceso de replicación, donde a pesar de la altísima fidelidad de la ADN pol, se produce un cierto % de errores, la mayoría de los cuales, son corregidos por las exonucleasas y otras enzimas, bajando la tasa de errores a 1 por cada 10.000 millones de pb. el genoma humano tiene como 3.000 millones de pb. Por tanto, en el genoma humano, en 1 de cada 3 replicaciones, se produce una mutación génica. Las mutaciones cromosómicas y genómicas se suelen producir en la meiosis.

Sin embargo, esta bajísima tasa de mutación espontánea, se puede ver incrementada por ciertos agentes mutagénicos, de modo que muchas mutaciones y, más en el mundo actual expuesto a numerosos mutágenos físicos y químicos artificiales, provoca mutaciones inducidas. 

MUTÁGENOS FÍSICOS: RADIACIONES
a) No ionizantes: rayos UV, de longitud de onda entre 160 y 400 nm ( a menor longitud de onda de la radiación electromagnética, es decir, a mayor frecuencia, más energéticos son los rayos y, por tanto, mayor capacidad mutagénica).

Los rayos UVA están entre 315 y 400 nm, es decir, son los rayos UV de mayor longitud de onda y, por tanto, lo menos energétivos. Por el contrario, los rayos UVB están entre 280 y 315 nm y son más energéticos y, por tanto, más perjudiciales.
Sin embargo, los rayos UVA penetran más en la piel, por lo que ambos tipos de rayos UV son peligrosos para la salud:
El peligro de las cabinas de rayos UVA

En cualquier caso, los rayos UV son más energéticos que la luz (entre 400 y 700 nm) y de ahí, su carácter dañino. Los rayos UV hacen que se formen dímeros de timina TT entre nucleótidos adyacentes:

La radiación UV también promueve la aparición de formas tautoméricas y, por tanto, la aparición de transiciones (mutaciones puntuales en las que se cambia una base púrica por otra púrica):


b) Ionizante: rayos X (entre 0,01 y 10 nm) y gamma (inferior a 0,01 nm) y emisión de partículas radiactivas alfa (núcleos de Helio: 2 p+ y 2 n) y beta (e-). Provocan la pérdida de electrones de átomos del ADN, quedando así altamente reactivos: provocan tautomerías, rompen los anillos de las bases nitrogenadas e incluso rompen los enlaces fosfodiéster, rompiéndose el ADN y, por tanto, los cromosomas.
De ahí el efecto cancerígeno de las radiografías y la protección que deben adoptar médicos radiólogos y embarazadas (éstas deben evitarlas para no dañar al feto). Las partículas radiactivas proceden de los residuos radiactivos, de las explosiones nucleares, fugas radiactivas, etc.

AGENTES MUTAGÉNICOS: MUTÁGENOS QUÍMICOS

Provocan:
a) modificaciones de las bases nitrogenadas, como el ácido nitroso, que se origina a partir de los nitritos:
 El ácido nitroso elimina grupos amino de la C, originando U., que se aparea con la A. Es un agente desaminante.

La hidroxilamina elimina grupos hidroxilo. El EMS (etilmetanosulfonato) y el gas mostaza añaden grupos metilo o etilo. Por tanto, producen errores durante la replicación del ADN. Son agentes alquilantes.

b) sustituciones de una base por otra análoga: el 5-Br-U es análogo a la T, a la que sustituye. La 2-aminopurina sustituye a la A. Provocan emparejamientos incorrectos. Son análogos de bases.

c) Intercalación de moléculas: la acridina (presente en muchos colorantes) o la proflavina tienen una estructura similar a dos bases enlazadas. Provocan corrimiento del orden de lectura. Es un agente alquilante.

AGENTES BIOLÓGICOS: hay virus mutagénicos, que pueden insertar su ADN en el genoma celular y producir cambios en la expresión de los genes en los que se han insertado. Algunos virus animales son oncovirus, como el VPH (Virus del Papiloma Humano) que provoca el cáncer de cuello de útero (por lo que actualmente se recomienda la vacunación en las adolescentes), los virus de la hepatitis B y C, que provocan cáncer de hígado, o el vrus de Epstein-Barr, que predispone  aun tipo de linfoma.

Además, en nuestro genoma hay numerosos transposones o segmentos móviles de ADN ("genes saltarines"), que pueden saltar a otro segmento del cromosoma o a otro cromosoma, provocando una mutación por inserción en éstos. Probablemente, estos transposones son "ADN egoísta" (que busca su propia replicación sin importarle el bien de la célula u organismo que lo aloja), y son vestigios de genomas virales que, a lo largo de la evolución, insertaron su ADN en el genoma eucariótico.

B.5.1. CONCEPTO DE MUTACIÓN Y SIGNIFICADO BIOLÓGICO

 MUTACIÓN: cualquier cambio en el material genético de una célula, sea en la secuencia de nucleótidos del ADN, en la estructura de los cromosomas o en su número.

IMPORTANCIA DE LAS MUTACIONES

Las mutaciones moleculares se originan aleatoriamente durante  la replicación del ADN ya que la ADN pol  aunque es muy fiel en su proceso de copiado, de vez en cuando produce errores, muchos de los cuales son detectados por ella misma, vuelve para atrás, con su actividad exonucleasa, y los corrige.

 Las mutaciones cromosómicas y genómicas se pueden producir como resultado de los procesos de división celular, como es el reparto cromosómico en la meiosis.

Las mutaciones son la fuente primaria de variablidad genética en las poblaciones, sobre las cuales puede actuar la selección natural, originando la evolución de las especies y el aumento de la biodiversidad. 

La selección natural actúa eliminando las mutaciones desventajosas en un determinado ambiente (en todo caso, se pueden mantener si son recesivas) y seleccionando las mutaciones ventajosas para los individuos que las portan.

Además de las mutaciones, también incrementan la variabilidad genética en los organismos con reproducción sexual:

- La recombinación genética en Profase I.

- La segregación cromosómica en Anafase I.

- La unión aleatoria de gametos en la Fecundación.

Es esencial que haya variabilidad genética en las poblaciones para que éstas puedan evolucionar. En los organismos con reproducción asexual como las bacterias, las únicas fuentes de variabilidad son las mutaciones y los mecanismos parasexuales de transmisión horizontal de genes (transformación, transducción mediante fagos y conjugación mediante pili).

Por lo tanto, el SIGNIFICADO BIOLÓGICO DE LAS MUTACIONES es, cuando ocurre en las células germinales (en las somáticas pueden producir cáncer y, en cualquier caso, no se transmiten a la descendencia y, por tanto, carecen de importancia evolutiva) crear variabilidad genética (que puede ser incrementada por los mecanismos mencionados en organismos con reproducción sexual o asexual) sobre la que pueda actuar la selección natural, permitiendo que las poblaciones se adapten a las condiciones ambientales. 

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B.4.1. EL CÓDIGO GENÉTICO Y SUS CARACTERÍSTICAS

 

EL CÓDIGO GENÉTICO

¿Por qué no era suficiente con una letra ni con dos? ¿Por qué hacen falta tres? El primero en proponer que eran tres, justo después del descubrimiento de la doble hélice fue el físico ruso Gamow (famoso por su defensa del "Big-bang"), pero se equivocó en dos aspectos: él pensaba que era solapado y no degenerado.
Características del código genético:
a) (Cuasi) Universal.
Prácticamente todos los seres vivos utilizan el mismo código, excepto las mitocondrias de algunos grupos y  en algunos cloroplastos, protoctistas o alguna bacteria, en los que hay algunas pequeñas variaciones.
b) Degenerado.
Hay 64 codones para 20 aa (varios codones significan el mismo aa), de los que tres no codifican aa (codones "sin sentido") pero significan FIN (fin de la traducción), y uno, AUG, significa Met e inicio (formil-Met en procariotas).

c) No solapado.
Un científico demostró, provocando mutaciones en el virus del mosaico del tabaco (TMV), que las mutaciones normalmente sólo producían el cambio de un aa y no de dos, como ocurriría si fuese solapado:



d) Sin signos de puntuación internos (SIN PAUSA)
La lectura del código en los ribosomas se hace de un modo continuo, sin interrupciones, hasta llegar al punto final (FIN).

e) No ambiguo. 
Cada triplete codifica uno y sólo un aa.

B.4. LA TRADUCCIÓN

 1. ACTIVACIÓN DE LOS AA MEDIANTE SU UNIÓN A LOS ARNt ESPECÍFICOS. 

Se unen al extremo 3´del ARNt mediante la aminoacil-ARNt Sintetasa. Hay una aa-ARNt Sintetasa específica para cada ARNt, es decir, para cada ARNt que tenga un anticodón diferente.

2. INICIACIÓN

El ARNt iniciador lleva la (formil-)Met y reconoce el codón de inicio AUG mediante el anticodón UAC, una vez que el ARNm se ha colocado en la subunidad pequeña del ribosoma.

 A continuación se une la subunidad grande, que tiene tres sitios: E (escape) en el que el ARNt desprovisto ya de su aa, se dispone antes de salir del ribosoma (antesala de salida), P (peptidil), en el que se coloca el primer ARNt, y A (aminoacil), libre de momento para que después sea ocupado por un 2º ARNt. Así,   se ha formado el complejo de iniciación. Las enzimas que han intervenido se llaman factores de iniciación.

3. ELONGACIÓN

Se va formando y alargando la cadena polipeptídica mediante la formación de los enlaces peptídicos entre sucesivos aa, según la secuencia de codones, repitiéndose cíclicamente las siguientes etapas:

3.1. UNIÓN DEL AA-ARNt en el sitio A.

3.2. FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO, catalizado por la peptidiltransferasa, formándose así un dipéptido unido al ARNt en A, quedando el ARNt vacío en P (a continuación va a salir).

3.3. TRANSLOCACIÓN: el ribosoma se traslada al nuevo codón del ARNm, de modo que el dipeptidil-ARNt pasa al sitio P, quedando así libre el sitio A para un nuevo aa-ARNt. El ARNt 1º, ya sin aa, pasa a E.

Este ciclo se va repitiendo una y otra vez hasta llegar a un codón de terminación.

4. TERMINACIÓN

Viene determinada por uno de los tres codones de terminación. 

Cuando esto ocurre, los factores de liberación liberan al polipeptidil-ARNt del ribosoma, y se rompe el enlace que une la cadena polipeptídica al ARNt, liberándose la cadena polipeptídica. El ribosoma vuelve a separarse en sus dos subunidades.

DIFERENCIAS entre procariotas y eucariotas:

Antes de ver las diferencias, veamos algunas SEMEJANZAS:

1. Las regiones 5´(antes de AUG) y la 3´(después del codón de terminación) son regiones no codificantes.

2. Las fases son las mismas.

Las DIFERENCIAS son:

1. El 1º aa en procariotas es la formilMet. En eucariotas es la Met. En ambos casos, este 1º aa, después se elimina (maduración postraduccional, en la que también la cadena polipeptídica se pliega, adoptando niveles estructurales superiores al primario).

2. En eucariotas hay mayor número de factores proteicos de iniciación, elongación y terminación.

3. En procariotas, al ser frecuentemente el ARNm policistrónico (con información de varios genes), tras la traducción traducción, debe escindirse en varias cadenas polipeptídicas. En eucariotas, al ser monocistrónico (lleva la in formación de un gen), no necesita este proceso postraduccional.

4. En procariotas, el ribosoma se puede unir a todos los sitios de inicio que contienen una determinada secuencia que precede al codón de inicio, de acuerdo con su naturaleza policistrónica . Por el contrario, en eucariotas, el ribosoma reconoce la estructura llamada caperuza ene l extremo 5´ y ahí recorre el ARM hasta llegar al codón de inicio y comenzar a poner aa, de acuerdo con su naturaleza monocistrónica.

B3. ETAPAS DE LA EXPRESIÓN GÉNICA: MODELO PROCARIOTA. DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS: B.3.1. LA TRANSCRIPCIÓN

 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. 

Se copia un asola cadena. La cadena que se copia es la cadena molde. La complementaria de la molde es la codificante, porque tiene una secuencia similar al ARNm formado a partir de la molde, pero con T en vez de U.

Igual que en la replicación, se copia en sentido 5´--->3´.

La señal de inicio suele ser una secuencia consenso (secuencia conservada en numerosas especies), generalmente palindrómica: 

ej. 5´ TATA 3´

     3´ATAT 5´  <---- Esta es una secuencia consenso palindrómica muy común en eucariotas: la "TATA box".

La enzima que lee la cadena molde, colocando ribonucleótidos frente a los desoxirribonucleótidos de la cadena molde complementarios, es la ARN polimerasa.

La señal de terminación es otra secuencia, la secuencia de terminación, que cuando la ARNpol llega  a ella, un factor proteico de liberación provoca la separación del ARN.

En eucariotas hay unos factores de transcripción proteicos que se deben fijar al promotor (generalmente a la caja TATA), para que la ARNpol se acople al promotor.

En eucariotas, debido a la presencia de intrones, debe producirse una maduración del ARN, para eliminar las secuencias de ARN complementarias de los intrones, que carecen de información. Esto se lleva a cabo mediante el proceso de splicing: eliminación de intrones y empalme de exones. Además, se añade una "caperuza" de metG en el extremo 5´y una cola de poliA en el extremo 3´.