CAPITULO 3

CONTROL GENETICO DE LA SINTESIS PROTEICA, LAS FUNCIONES CELULAR Y LA REPRODUCCION CELULAR.

Los genes controlan las funciones de la célula determinando qué sustancias se sintetizan dentro de la misma, es decir, qué estructuras, qué enzimas y qué productos químicos participan. El ácido desoxirribonucleico (ADN), controla automáticamente la formación de otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), que después se dispersa por toda la célula para controlar la formación de una proteína específica.

El proceso completo, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la traducción del código del ARN y la formación de proteínas en el citoplasma celular, se refiere a menudo como expresión génica.

Como hay aproximadamente 30.000 genes diferentes en cada célula, en teoría es posible formar un número muy grande de proteínas celulares diferentes.

la mayoría de las proteínas son enzimas que catalizan las distintas reacciones químicas en las células. Las distintas reacciones químicas en las células. Por ejemplo, las enzimas promueven todas las reacciones oxidativas que aportan energía a la célula y favorecen la síntesis de todos los productos químicos de la célula, como lípidos, glucógeno y trifosfato de adenosina (ATP).

Genes en el núcleo celular.

En el núcleo celular hay un gran número de genes unidos por sus extremos, formando las moléculas de doble hélice largas de ADN que tienen un peso molecular que se mide por miles de millones.

Bloques básicos de ADN. En la formación del ADN, es decir, el ácido fosfórico, el azúcar desoxirribosa y cuatro bases nitrogenadas (dos purínicas, adenina y guanina, y dos pirimidínicas, timina y citosina). El ácido fosfórico y la desoxirribosa forman las dos hebras helicoidales que sirven de soporte para la molécula de ADN, mientras que las bases nitrogenadas se apoyan entre las dos hebras y se conectan entre sí.

Nucleótidos. La primera etapa en la formación del ADN consiste en combinar una molécula de ácido fosfórico, una molécula de desoxirribosa y una de las cuatro bases para formar un nucleótido ácido. De esta forma se crean cuatro nucleótidos distintos, uno para cada una de las cuatro bases, los ácidos desoxiadenílico, desoxitimidílico, desoxiguanílico y desoxicitidílico.

Organización de los nucleótidos para formar dos hebras de ADN unidas laxamente entre sí. El esqueleto de cada hebra de ADN está compuesto por moléculas de ácido fosfórico y desoxirribosa que se van alternando. A su vez, las bases de purina y pirimidina se unen a los lados de las moléculas de desoxirribosa. Después, las dos hebras respectivas de ADN se mantienen unidas mediante enlaces débiles de hidrógeno (líneas de puntos) entre las bases purínicas y pirimidínicas, pero hay que matizar que:

1. Cada base purínica de adenina de una hebra siempre se une con una base pirimidínica de timina de la otra y
2. Cada base purínica de guanina siempre se une con una base pirimidínica de citosina.

En cada vuelta completa de la hélice de la molécula de ADN hay diez pares de nucleótidos.

Código genético

El código genético consta de «tripletes» sucesivos de bases, es decir, tres bases sucesivas componen una palabra del código. Los tripletes sucesivos controlan en último término la secuencia de aminoácidos en una molécula proteica que la célula debe sintetizar.

El código de A D N del núcleo celular se transfiere al código de ARN en el citoplasma celular: proceso de transcripción
Como el ADN se encuentra en el núcleo de la célula, pero la mayoría de las funciones de la célula se realizan en el citoplasma, debe haber algún mecanismo para que los genes de ADN del núcleo controlen las reacciones químicas del citoplasma, lo que se consigue mediante la intermediación de otro tipo de ácido nucleico, el ARN, cuya formación está controlada por el ADN del núcleo. Es decir, el código se transfiere al ARN en un proceso que se conoce como transcripción. A su vez, el ARN se difunde desde el núcleo a través de los poros del núcleo al compartimiento citoplasmàtico, donde controla la síntesis proteica.

Síntesis de ARN
Durante la síntesis de ARN las dos hebras de la molécula de ADN se separan temporalmente y una de ellas se usa como plantilla para la síntesis de una molécula de ARN. Los tripletes del código del ADN provocan la formación de tripletes con un código complementario (o codones) en el ARN; a su vez, estos codones controlarán la secuencia de aminoácidos en una proteína que se va a sintetizar en el citoplasma celular.

Bloques básicos para la construcción del ARN. En primer lugar, en la formación del ARN no se usa el azúcar desoxirribosa y en su lugar se utiliza otro azúcar que tiene una composición algo diferente, la ribosa, que contiene un ion hidroxilo extra unido a la estructura anular de la ribosa. En segundo lugar, la timina se reemplaza por otra pirimidina, uracilo.

Formación de nucleótidos de ARN. En este caso, se usan también cuatro nucleótidos distintos para formar el ARN, nucleótidos que contienen las bases adenina, guanina, citosina y uracilo.

«Activación» de los nucleótidos de ARN.

El resultado de este proceso de activación es que cada uno de los nucleótidos puede disponer de grandes cantidades de energía del ATP, energía que se usa para favorecer las reacciones químicas que van añadiendo cada nuevo nucleótido de ARN al extremo de la cadena de ARN que se está desarrollando.

proceso de «transcripción»

Cuatro tipos distintos de ARN. Cada tipo de ARN tiene un papel independiente y totalmente distinto en la formación de proteínas:

1. ARN mensajero (ARNm), que transporta el código genético al citoplasma para controlar el tipo de proteína que se forma.
2. ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos activados a los ribosomas para usarlos en el montaje de la molécula proteica.
3. ARN ribosómico, que, junto con 75 proteínas distintas, forma ribosomas, las estructuras físicas y químicas en las que se montan realmente las moléculas proteicas.
4. MicroARN (ARNmi), que son moléculas de ARN monocatenario de 21 a 23 nucleótidos capaces de regular la transcripción y la traducción génicas.

ARN mensajero: los codones

Las moléculas de ARNm son cadenas largas y sencillas que se encuentran en suspensión en el citoplasma. Estas moléculas están compuestas por varios cientos a miles de nucleótidos de ARN en cadenas no pareadas y contienen codones que son exactamente complementarios a los tripletes del código de los genes de ADN. Sus codones son CCG, UCU y GAA, que son los codones de los aminoácidos prolina, serina y ácido glutámico.

Un codón representa la señal de «iniciar la fabricación de la molécula proteica» y tres codones representan la señal de «detener la fabricación de la molécula proteica». Se denominan CI para el «iniciador de la cadena» y CT para el «terminador de la cadena.

TIPOS DE ARN Y FUNCIONES.

MicroARN
Un cuarto tipo de ARN en la célula es el ARNmi. Se trata de cortos fragmentos de ARN monocatenario (de 21 a 23 nucleótidos) que regulan la expresión génica. Los ARNmi se codifican a partir del ADN transcrito de genes, pero no se traducen a proteínas y, por tanto, a menudo reciben el nombre de ARN no codificante. Los ARNmi son procesados por las células en moléculas que son complementarias al ARNm y que actúan para reducir la expresión génica. Los ARNmi-pri se procesan a continuación en el núcleo celular por parte del complejo de microprocesador en pre-ARNmi, que son estructuras en horquilla de 70 nucleótidos. Estos pre-ARNmi son procesados después adicionalmente en el citoplasma por una enzima dicer específica que ayuda a ensamblar un complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC) y genera ARNmi. Los ARNmi regulan la expresión génica por unión a la región complementaria del ARN y por la promoción de la represión de la traducción o degradación del ARNm antes de que pueda ser traducido por el ribosoma.

Formación de proteínas en los ribosomas: el proceso de «traducción»

Regulación genética

La regulación genética, o regulación de la expresión gènica, cubre todo el proceso, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la formación de proteínas en el citoplasma. La regulación de la expresión gènica dota a todos los organismos vivos de la capacidad para responder a los cambios en su medio. La expresión génica permite también que los numerosos tipos distintos de células del cuerpo realicen cada uno funciones especializadas. La medida definitiva de la «expresión» génica es si (y en qué medida) se forman productos génicos (proteínas), ya que las proteínas se encargan de las funciones celulares especificadas por los genes. La regulación de la expresión génica puede tener lugar en cualquier punto de las rutas de transcripción, procesamiento de ARN y traducción.

Control de las funciones intracelulares mediante la regulación enzimática.

Algunas actividades celulares están controladas por inhibidores o activadores intracelulares que actúan directamente sobre las enzimas intracelulares específicas. La regulación enzimàtica representa una segunda categoría de mecanismos por los cuales se pueden controlar las funciones bioquímicas celulares.

Inhibición enzimàtica. Algunas de las sustancias químicas formadas en la célula ejercen una retroalimentación directa inhibiendo los sistemas enzimáticos específicos que los sintetizan. Casi siempre, el producto sintetizado actúa sobre la primera enzima de una secuencia en lugar de sobre las enzimas sucesivas, uniéndose directamente a ella y provocando un cambio conformacional alostérico que la inactiva. Se puede reconocer fácilmente la importancia de la inactivación de la primera enzima, ya que impide la acumulación de los productos intermedios que no se están usando. La inhibición enzimàtica es otro ejemplo de control mediante retroalimentación negativa, responsable del control de las concentraciones intracelulares de muchos aminoácidos, purinas, pirimidinas, vitaminas y otras sustancias.

Activación enzimàtica. Las enzimas que están normalmente inactivas se activan cuando es necesario, por ejemplo, cuando se ha agotado la mayoría del ATP de la célula. En este caso, comienza a formarse una cantidad considerable de monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) como producto de división del ATP. A su vez, la presencia de este AMP activa inmediatamente una enzima fosforilasa que escinde el glucógeno, liberando moléculas de glucosa que se metabolizan rápidamente y cuya energía se usa para replecionar los depósitos de ATP. Es decir, el AMPc actúa como un activador enzimàtico de la enzima fosforilasa y, por tanto, facilita el control de la concentración intracelular de ATP.

Ciclo vital de la célula. El ciclo vital de una célula es el período que transcurre desde el inicio de la reproducción celular hasta el inicio de la siguiente reproducción celular. La mitosis en sí misma dura sólo unos 30min, por lo que más del 95% del ciclo vital de las células está representado por el intervalo entre las mitosis, o interfase, incluso en las células que se reproducen con mayor rapidez.

La reproducción celular comienza con la replicación del ADN

El ADN comienza a duplicarse entre 5 y 10 h antes de la mitosis y se completa en 4-8 h. El resultado neto es que se producen dos réplicas exactas de todo el ADN. Estas réplicas se convierten en el ADN de las dos células hijas nuevas que se formarán en la mitosis. Después de esta replicación hay otro periodo de 1-2 h antes de que comience bruscamente lá mitosis. Durante este período comienzan los cambios preliminares que conducirán a la mitosis.

Regulación del tamaño de la célula. El tamaño de la célula está determinado casi en su totalidad por la cantidad de ADN funcionante que hay en el núcleo. Si el ADN no se replica, la célula crece hasta un tamaño determinado y después lo mantiene, mientras que también es posible que, usando el quimioterápico colchicina, se impida la formación del huso mitótico y, por tanto, la mitosis aunque continúe la replica- ción del ADN. En este caso, el núcleo contiene una cantidad de ADN bastante mayor de lo que normalmente contendría y la célula crece hasta un tamaño proporcionalmente mayor. Se supone que este efecto es consecuencia, sencillamente, del aumento de la producción de ARN y de las proteínas celulares, lo que, a su vez, hace que el tamaño de la célula aumente más.

Diferenciación celular
Una característica especial del crecimiento y división celular es la diferenciación celular, que se refiere a los cambios de las propiedades físicas y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar las distintas estructuras y órganos corporales. La diferenciación es consecuencia no de la pérdida de genes, sino de la represión selectiva de los distintos promotores génicos. Una posible explicación sería que, según se ha supuesto, el genoma celular comienza a producir en una cierta etapa de la diferenciación celular una proteína reguladora que reprimirá para siempre a un grupo selecto de genes, es decir, los genes reprimidos no volverán a funcionar. Sea cual sea el mecanismo, las células humanas maduras producen un máximo de 8.000 a 10.000 proteínas y no las 30.000 o más que sería posible si todos los genes estuvieran activos.

Apoptosis: muerte celular programada

Cuando las células ya no se necesitan, o cuando se convierten en una amenaza para el organismo, sufren una muerte celular programada suicida, o apoptosis. Este proceso implica una cascada proteolítica específica que hace que la célula se encoja y condense para desmontar su citoesqueleto y alterar su superficie de tal forma que una célula fagocítica cercana, como un macrófa- go, se puede unir a la membrana celular y digerir la célula. La apoptosis es una muerte celular metódica que da lugar al desmontaje y fagocitosis de la célula antes de que se produzca ninguna fuga de su contenido, por lo que las células vecinas se mantienen sanas. La apoptosis se inicia mediante la activación de una familia de proteasas que se conocen como caspasas. Se trata de unas enzimas que se sintetizan y almacenan en la célula en forma de procaspasas inactivas. Los mecanismos de activación de las caspasas son complejos pero, una vez activadas, las enzimas se escinden y activan otras procaspasas, activando una cascada que rompe rápidamente las proteínas del interior de la célula. De esta forma, la célula se desmantela a sí misma y sus restos se digieren rápidamente en las células fagocíticas vecinas.