Notas: Código Genético y Regulación de Expresión (SPANISH)

DOGMA CENTRAL

  • El dogma central de la biología establece que la información guarda en el DNA se transfiere a moléculas de RNA durante la transcripción y luego a las proteínas por medio de la traducción.

    • Proceso: ADN → ARN (transcripción) → proteína (traducción).

    • Fuente: URL de referencia incluida en el material original.

INTRODUCCIÓN AL CÓDIGO GENÉTICO Y TIPOS DE ARN

  • ADN y ARN: macromoléculas involucradas en la información y su expresión.

  • ARN es una molécula de una sola hebra (helice simple) compuesta por:

    • Azúcar: ribosa

    • Grupo Fosfato

    • Bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U)

  • Tipos de RNA:

    • mRNA (ARN mensajero)

    • tRNA (ARN de transferencia)

    • rRNA (ARN ribosomal)

ARNm: Estructura y CODONES

  • El ARNm es lineal y se degrada/regenera rápidamente, con diferencias en procariotas vs eucariotas:

    • Procariotas: degradación más rápida, traducción puede empezar antes de completar la transcripción.

    • Eucariotas: degradación más lenta, procesamiento previo.

  • Contiene codones (tripletes de nucleótidos. que codifican un aminoácido).

  • Inicio y terminación de la cadena de polipéptidos:

    • Codón de inicio: AUGAUG (Metionina); en procariotas puede iniciarse con formil-metionina.

    • Codones de terminación: UAA,UGA,UAGUAA, UGA, UAG (no codifican aa; señalan fin de la traducción).

TRANSCRIPCIÓN

  • Proceso de apertura de una burbuja de transcripción en el ADN donde se usa una sola hebra como molde (3'→5').

  • La ARN polimerasa dependiente de ADN sintetiza RNA a partir de nucleótidos libres en la célula.

  • Las secciones de la región promotora contienen elementos clave para el inicio de la transcripción:

    • En procariotas, elementos -10 y -35 (p. ej., TTGACG y TATAAT) son reconocidos por la polimerasa y/o factores sigma. Ejemplos de secuencias de elementos de promotor:

    • -10: TTGACGTTGACG

    • -35: TATAATTATAAT

    • Punto de inicio de la transcripción: +1+1

  • Terminación de la transcripción: terminadores que detienen la síntesis de ARN.

PROCESAMIENTO DE ARNm EN EUCARIOtas

  • Asunto clave: CAP 5' (7-metilguanosina) en el terminal 5' para protección y orientación de la traducción.

    • Funciones: protege contra degradación enzimática y orienta la traducción.

  • Cola poli-A en el 3' (Poli(A) tail):

    • Función: protege contra degradación y facilita exportación del mRNA fuera del núcleo.

    • Confiere integridad y estabilidad al mensaje.

  • Intrones y exones:

    • Los genes eucariotas suelen contener intrones (secuencias que no codifican aa).

    • Durante el madurado del ARNm, los intrones se eliminan mediante el empalme (spliceosome), y quedan exones que sí codifican para aminoácidos.

EMPALME Y SPliceosome (EUCARÍOTAS)

  • Transcripción de mRNA eucariota produce un pre-mRNA (transcrito primario) que debe procesarse.

  • Componentes del spliceosome: snRNPs (U1, U2, U4, U5, U6) y snRNA.

  • Proceso de empalme:

    • Se realizan cortes en los sitios de corte en los extremos de intrones (sitios 5' y 3') y unión de exones.

    • Se forma un lariat de intrón que es degradado.

    • El resultado es un mRNA maduro compuesto solo por exones.

  • Esquema general (resumen): pre-mRNA → spliceosome (snRNPs) → mRNA maduro (exon 1 + exon 2, etc.) → traducción.

TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN EN CÉLULAS EUCARIOTAS VS PROCARIOTAS

  • Célula eucariota:

    • Transcripción en el núcleo; procesamiento de ARNm (cap, cola, empalme);

    • Traducción en el citosol en los ribosomas; el ARNm debe salir del núcleo para ser traducido.

  • Célula procariota (bacterias):

    • Transcripción y traducción ocurren en el citosol; no hay núcleo; ocasionalmente la traducción puede iniciar incluso antes de que la transcripción termine.

TIPOS DE RNA: tRNA y rRNA (DETALLE)

  • tRNA (transferencia):

    • Lleva el aminoácido correcto a la ribosoma.

    • Contiene el anticodón (conjunto de 3 nucleótidos) que es complementario al codón del ARNm.

    • Coda en la cola para unirse al aminoácido correspondiente.

  • rRNA (ribosomal):

    • Forma parte de las subunidades ribosomales; en conjunto con proteínas ribosomales cataliza la síntesis de proteínas.

  • Nota: la traducción se efectúa en los ribosomas, que en procariotas pueden estar en el citosol sin compartimentalización.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: PRINCIPIOS GENERALES

  • Las proteínas están formadas por largas cadenas de aminoácidos.

  • Los aminoácidos tienen grupos funcionales comunes:

    • Grupo amino (−NH2)(-NH_2)

    • Grupo carboxilo (−COOH)(-COOH)

  • Clasificación de aminoácidos según sus grupos funcionales:

    • Hidrofóbicos (no polares)

    • Hidrofílicos (polares)

    • Ácidos (negativos)

    • Básicos (positivos)

  • Una cadena de aminoácidos se denomina polipéptido.

  • La secuencia de aminoácidos está controlada por un gen.

SÍNTESIS DE PEPTIDOS: MECANISMO GENERAL DE FORMACIÓN DE ENLACES PEPTÍDICOS

  • Proceso básico (resumen químico): 1) Se desprende una molécula de agua (condensación) para unir dos aminoácidos, formando un enlace peptídico.

    • Ejemplo de una reacción de unión entre aminoácidos:

      • Amida entre grupos

      • Generalmente representado como: extAminoaˊcido<em>1−extCOOH+extAminoaˊcido</em>2−extNH<em>2ightarrowextAminoaˊcido</em>1−extCO−NH−Aminoaˊcido<em>2+extH</em>2Oext{Aminoácido}<em>1- ext{COOH} + ext{Aminoácido}</em>2- ext{NH}<em>2 ightarrow ext{Aminoácido}</em>1- ext{CO-NH-Aminoácido}<em>2 + ext{H}</em>2O

  • En la maquinaria celular, la formación de enlaces peptídicos es catalizada por la enzima peptidil transferasa ubicada en el sitio P del ribosoma.

  • Dirección de crecimiento de la cadena: se añade el nuevo aminoácido en el extremo amino (n-terminus) y la cadena crece desde el extremo amino hacia el extremo carboxilo.

  • Nota avanzada: en condiciones in vitro la reacción de formación del enlace peptídico puede describirse como una deshidratación, mientras que en condiciones in vivo es una condensación que no libera agua de manera explícita.

RIBOSOMA: COMPOSICIÓN Y MÚLTIPLES SITIOS EN LA TRADUCCIÓN

  • Subunidades del ribosoma en bacteria:

    • 50S (subunidad grande)

    • 30S (subunidad pequeña)

  • Sitios de tRNA en el ribosoma:

    • A-site (sitio aminoacil): llega el siguiente aminoacil-tRNA

    • P-site (sitio peptidil): contiene el growing chain peptídico unido al tRNA

    • E-site (sitio exit): tRNA que se libera tras ceder su aminoácido

  • El codón del ARNm en el sitio P se empareja con el anticodón del tRNA correspondiente; la enzima Peptidil transferasa facilita la formación del enlace peptídico entre el aminoácido del A-site y el que ya está en el P-site.

  • Inicio de la traducción: codón inicial AUGAUG, que codifica Met (en procariotas suele ser formil-metionina, fMet).

  • Terminación: codones de terminación son UAA,UAG,UGAUAA, UAG, UGA; no se incorporan aminoácidos, y la polipéptido se libera.

  • Notas útiles para estudiantes: los tRNA se cargan con aminoácidos por enzimas aminoacil-tRNA sintetasas; el anticodón del tRNA debe ser complementario al codón del ARNm para la incorporación correcta del aminoácido.

CÓDIGO GENÉTICO: PROPIEDADES CLAVE

  • Unidireccional: se lee 3'→5' en el ADN; la síntesis de ARNm es 5'→3'.

  • No superponible: cada codón está separado (lectura de tres nucleótidos sin solaparse).

  • Colineal: la secuencia de aminoácidos corresponde directamente a la secuencia de tripletes codificadores (codones) en el ADN/ARNm.

  • Degenerado (Redundante): la mayoría de los aminoácidos están codificados por varios codones.

  • Universal: el código se aplica a todos los seres vivos conocidos.

  • Señal iniciadora: AUGAUG codifica para la metionina (en procariotas, formil-metionina diana en el inicio de la proteína).

  • Señal de terminación: codones sin sentido UAA,UAG,UGAUAA, UAG, UGA.

TABLA DE CODONES: EJEMPLOS REPRESENTATIVOS

  • Ejemplos de codones y aminoácidos (mapeo general, no exhaustivo):

    • AUG<br>ightarrowextMet(Metionina)AUG <br>ightarrow ext{Met (Metionina)}; en procariotas también forma la formailmetionina inicial.

    • UUU,UUC<br>ightarrowextPhe(Fenilalanina)UUU, UUC <br>ightarrow ext{Phe (Fenilalanina)}

    • UUA,UUG<br>ightarrowextLeu(Leucina)UUA, UUG <br>ightarrow ext{Leu (Leucina)}

    • UCU,UCC,UCA,UCG<br>ightarrowextSer(Serina)UCU, UCC, UCA, UCG <br>ightarrow ext{Ser (Serina)}

    • UAU<br>ightarrowextTyr(Tirosina)UAU <br>ightarrow ext{Tyr (Tirosina)}

    • UGU,UGC<br>ightarrowextCys(Cisteıˊna)UGU, UGC <br>ightarrow ext{Cys (Cisteína)}

    • UGG<br>ightarrowextTrp(Triptoˊfano)UGG <br>ightarrow ext{Trp (Triptófano)}

    • Codones de inicio/stop: AUGext(inicio),UAA/UAG/UGAext(stop)AUG ext{ (inicio)}, UAA/UAG/UGA ext{ (stop)}

  • Observación: el código está organizado por posiciones de las bases (5'→3') y presenta variantes que permiten la correspondencia entre tripletes y aminoácidos.

REGULACIÓN DE EXPRESIÓN DE GENES EN PROCARIOTAS: OPERÓN Y OPERÓN INDUCIBLE

  • Conceptos clave:

    • Genes reguladores regulan las actividades de genes estructurales.

    • Genes estructurales codifican proteínas estructurales y enzimas.

    • Operón: conjunto de genes regulados por un mismo operador y promotor.

    • Tipos principales: inducible o represible.

  • Operón inducible:

    • En reposo, está inactivado; una molécula represora se une al operador y bloquea la transcripción, impidiendo que la RNA polimerasa se una al promotor.

    • El inductor se une a la represora, inactivándola y retirándola del operador; se permite la unión de la polimerasa al promotor y la transcripción.

EL OPERÓN LAC: UN EJEMPLO CLAVE

  • Regiones y genes:

    • Regulatoria: LacI (represor)

    • Promotor y operador: promotor-operator

    • Estructurales: lacZ (β-galactosidasa), lacY ( permeasa ), lacA (transacetilasa)

  • Mecanismo básico:

    • Sin lactosa: LacI unido al operador impide la transcripción, no hay mRNA y no se sintetizan las enzimas lacZ/Y/A.

    • Con lactosa: la lactosa se convierte en alolactosa (inductor) que se une al represor; se produce cambios conformacionales que liberan al represor del operador; la RNA polimerasa puede iniciar la transcripción de los genes lacZ, lacY y lacA.

  • Importante: incluso cuando el operón está reprimido, puede existir una transcripción basal baja que permite la expresión mínima de lacZ, lacY y lacA.

  • Interpretación práctica: la alolactosa actúa como inducer; IPTG es un inductor sintético utilizado en experimentos para inducir lacZ sin ser metabolizado.

VIDEO Y RECURSOS AUDIOVISUALES SOBRE EL OPERÓN LAC

  • Enlaces de referencia para visualización de conceptos (lac operón) disponibles en el material original.

EXPERIMENTOS GENÉTICOS: TRANSFORMACIÓN Y PLÁSMIDOS

  • Objetivos experimentales:

    • Manipular células para adquirir material genético ajeno y expresar genes pertenecientes al material incorporado.

    • Herramientas típicas: plasmidos pUC, X-gal, β-galactosidasa.

  • ¿Qué es una transformación?

    • Proceso por el cual una bacteria absorbe, incorpora y expresa ADN exógeno.

    • ADN exógeno puede estar en el ambiente y entrar a través de la membrana de una célula competente.

  • Tipos de competencia:

    • Competencia natural (Horizontal gene transfer): en bacterias como Neisseria, Haemophilus, Legionella, Streptococcus, Helicobacter, etc.

    • Competencia artificial: inducida por métodos físicos o químicos (no codificada en genes celulares).

  • Ejemplos de cepas bacterianas usadas en laboratorio:

    • E. coli DH5α, HB101, K-12 (competentes para transformación).

TRANSFORMACIÓN IN VIVO Y MECANISMOS BÁSICOS

  • Descripción general: se utiliza un plásmido con un gen de interés y selección por antibióticos para identificar células que han incorporado el plásmido.

  • Visualización: una célula competente expone su membrana para permitir la entrada de ADN plasmídico, que luego se recirculariza o se incorpora con un inserto.

  • Recap: tras la transformación, se obtiene una colonia de células resistentes al antibiótico y, en muchos casos, que expresan el gen de interés.

PLÁSIDOS: VECTORES DE CLONACIÓN Y EXPRESIÓN

  • Definición: pequeños fragmentos de ADN circular que pueden replicarse de forma independiente del cromosoma bacteriano.

  • Características comunes:

    • Ori (origen de replicación)

    • Resistencia a antibióticos (gene de resistencia) para selección

    • Sitios de clonaje único (MCS, Multi Cloning Site)

    • En vectores de expresión: promotor y terminador para la expresión del gen insertado

  • Tipos de vectores:

    • Vector de clonación: se utiliza para producir muchas copias de un gen de interés sin necesidad de expresión proteica abundante.

    • Vector de expresión: optimizado para la producción de proteínas, con promotor adecuado y elementos de regulación.

  • Diagramas de referencia (componentes típicos): Ori, MCS, ATBR (antibiotic resistance gene), promotor, terminator, etc.

MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN: FÍSICOS Y QUÍMICOS

  • Métodos físicos:

    • Electroporación (campo eléctrico)

    • Campo eléctrico fuerte abre poros en la membrana para permitir entrada de ADN

    • Sonicación/ ultrasonido (rozamiento físico para facilitar entrada de ADN)

  • Métodos químicos:

    • CaCl2 (presa de permeabilidad temporal de la membrana)

  • En la práctica de laboratorio, se utilizan células competentes tratadas con CaCl2 para permitir la entrada de ADN plasmídico y seleccionar con antibióticos.

PRÁCTICA: MECANISMO DE EXPRESIÓN CON pUC19 Y X-Gal (Láctosa sintética)

  • Plásmido utilizado: AmpR, lacZ, MCS, Origin of replication (pUC19).

  • Reporte de ensayo: el gen lacZ codifica β-galactosidasa; X-gal es un sustrato que, al ser hidrolizado por β-galactosidasa, genera color azul, permitiendo la detección visual de clones que expresan la enzima.

  • IPTG: inductor de lacZ, que activa la expresión de la β-galactosidasa en presencia de X-gal; IPTG no se metaboliza por la bacteria, funcionando como inducer estable.

  • Interpretación de resultados de placas:

    • Colonias azules: contienen plásmidos con inserto que permiten la expresión de lacZ y actividad de β-galactosidasa sobre X-gal.

    • Colonias blancas: contienen plásmidos recircularizados sin inserto o con inserto que inactiva lacZ.

  • Nota metodológica: cada colonia proviene de una única célula transformada; por lo tanto, todas las células de la colonia comparten el mismo vector recombinante.

PROCEDIMIENTOS Y CONSIDERACIONES PRÁCTICAS

  • Preparación de ADN y células competentes:

    • Aislamiento de plasmidos, tratamiento de células para aceptar ADN exógeno y realización de transformaciones.

  • Lecturas éticas y de seguridad: el manejo de ADN recombinante debe realizarse en entornos controlados y regulados; comprender los riesgos y las medidas de bioseguridad.

RECURSOS Y REFERENCIAS

  • Referencias a videos y animaciones útiles para profundizar en Transcripción y Traducción, y en el Operón Lac (enlaces proporcionados en el material original).

  • Recursos visuales complementarios: AmoebaSisters y otras animaciones para comprender conceptos de síntesis de proteínas y expresión génica.

RECORDATORIO DE LA PRÓXIMA SESIÓN

  • Prueba corta la próxima semana.

  • Repasar conceptos clave: dogma central, procesamiento de ARNm en eucariontes, intrones/exones y splicing, proceso de traducción, propiedades del código genético, operones en procariotas (lac), transformación y uso de plásmidos, y conceptos de vectors de clonación y expresión.

FORMAS CLAVE DE REPASO (RESUMEN RÁPIDO)

  • Dogma central: ADN → ARNm → proteína.

  • RNA: tipos y funciones principales (mRNA, tRNA, rRNA).

  • Transcripción: promotores (-10, -35), inicio en +1, terminación; en eucariotas, cap y cola; splicing con spliceosome.

  • Traducción: ribosomas 50S/30S (bacteria) o 60S/40S (eucariota), sitios A/P/E, inicio en AUG, crecimiento de polipéptidos y terminación en UAA/UAG/UGA.

  • Código genético: no superponible, degenerado, universal, inicio y terminación definidos; ejemplos de codones y su aminoácido correspondiente.

  • Regulación en procariotas: operón y lac operón como modelo; inducción por lactosa y alolactosa; inducción por IPTG.

  • Técnicas moleculares: transformación bacteriana, células competentes, CaCl2, electroporación; vectores de clonación y de expresión; selección con antibióticos; uso de X-gal e IPTG para visualización.

  • Conexiones con principios básicos: relación entre estructura de genes (intrones/exones) y regulación de expresión; relevancia de la regulación génica en contextos prácticos y evolutivos.