La principal función del material genético es almacenar las instrucciones necesarias para crear y mantener un organismo vivo.
El material genético, contenido en nuestro ADN, es una secuencia de moléculas orgánicas llamadas nucleótidos.
¿Cómo es que esta secuencia de moléculas provee las instrucciones para que una célula pueda funcionar? Bueno, podemos pensar en el ADN como un texto y cada nucleótido como las letras. Solo que este texto está codificado, por lo que la célula debe decodificarlo para obtener la información, que, en última instancia, sirve para producir proteínas.
La decodificación de un gen para sintetizar una proteína se llama expresión génica.
A continuación, presentaremos una introducción a este tema y exploraremos cómo se expresan los genes, cuáles son las etapas y componentes del proceso y la importancia de su regulación.
Definición de expresión génica
El ADN forma cadenas muy largas (ver Fig. 1). Entonces, para que la información genética sea funcional, está contenida en segmentos más pequeños del ADN llamados genes. Los genes contienen la información que codifica la producción de una proteína o de una molécula de ARN específicas para las diferentes funciones y procesos biológicos de los organismos (ver Fig. 2).
La expresión génica es el proceso durante el cual la información contenida en un gen se expresa, o se decodifica, para producir un producto génico.
El proceso de expresión génica consta de dos etapas (ver Fig. 3):
- El ADN funciona como una plantilla maestra que contiene todos los genes. Para expresar los genes individuales, es necesario crear versiones portátiles de los mismos. En genética, este proceso se denomina transcripción, y es el primer paso en la expresión de los genes. Durante la transcripción, se sintetiza una molécula de cadena de ARN a partir de una cadena de ADN.
- Luego, la información genética transportada por un ARN mensajero se utiliza para sintetizar los aminoácidos con los que se construye una molécula de proteína, es decir, para llevar a cabo la síntesis de proteínas. Esta es la segunda etapa de la expresión génica, la traducción.
La expresión génica se da tanto en células procariotas como eucariotas. Sin embargo, debido a las diferencias entre estos dos tipos de células —como en la estructura de su ADN y la ausecia de un núcleo verdadero en los procariotas— también la expresión génica en cada una de estas presenta diferencias.
El ARN en la expresión génica
Aunque casi todo el mundo ha escuchado hablar del ADN, pocos conocen del ARN.
Los ácidos nucleicos son polímeros formados por nucleótidos.
- Los nucleótidos pueden formar moléculas de ADN o ARN, en función del azúcar y las bases nitrogenadas.
- El ARN (ácido ribonucleico) y el ADN (ácido desoxirribonucleico) son tipos de ácidos nucleicos.
Cada nucleótido consta de tres grupos químicos: azúcar pentosa, fosfato y una base nitrogenada. Los dos tipos de azúcares pentosa (con 5 átomos de carbono) son la ribosa, en el ARN, y la desoxirribosa, en el ADN.
¡Repasa la estructura y funciones de estas dos moléculas en los artículos Estructura de los ácidos nucleicos y ADN y ARN!
Recordemos que existen cinco nucleótidos, de los cuales tres (la adenina, la guanina y la citosina) se encuentran tanto en el ADN como en el ARN. Mientras que, la base timina no se encuentra en los nucleótidos del ARN; en cambio, estos contienen uracilo. Por último, las moléculas de ADN tienden a formar estructuras de doble hélice, que constan de dos hebras muy largas. Las moléculas de ARN, sin embargo, suelen ser monocatenarias, de cadenas más cortas y crean una gran variedad de estructuras.
Las moléculas de ARN pueden adoptar una gran variedad de estructuras y son muy importantes para llevar a cabo la expresión génica. Hay tres tipos principales de moléculas de ARN que participan en este proceso y que veremos con más detalle a continuación. Son el ARN mensajero (ARNm), el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr):
- El ARNm se forma como una copia de un gen. Como su nombre indica, actúa como portador de la información genética. Esta información es llevada a los ribosomas, orgánulos que se encuentran en el citoplasma y que funcionan como máquinas sintetizadoras de proteínas.
- Los ARN de transferencia o ARNt son pequeñas moléculas que apoyan la traducción del ARNm en proteínas. Como su nombre indica, los ARNt transportan aminoácidos que se añaden durante la traducción a la cadena polipeptídica en crecimiento.
- Las moléculas de ARN ribosómico (ARNr), junto con ciertas proteínas, forman los ribosomas. Cada ribosoma funciona como una pequeña fábrica en la que se produce la síntesis o traducción de proteínas.
Expresión génica: Transcripción
Durante la transcripción de un gen codificador de proteínas, la enzima ARN polimerasa copia o transcribe la secuencia de ADN del gen a una secuencia de ARN. Se forma una molécula de ARNm, cuya función es transportar la información genética del núcleo a los ribosomas, un organelo que se encuentran en el citoplasma.
No todo el ADN está constituido por genes codificadores; es decir, que codifican para un producto génico. En realidad, ¡la mayor parte del ADN es no codificante!
La transcripción del ADN a ARN se da siguiendo el emparejamiento de bases complementarias. Recordemos que la adenina siempre se empareja con la timina (en la replicación del ADN) o con el uracilo (en la transcripción a ARN), mientras que la guanina siempre se empareja con la citosina.
El ARNm bacteriano (procariota) puede sintetizar proteínas en cuanto se transcribe. Sin embargo, en los eucariotas, la transcripción de los genes que codifican proteínas produce, inicialmente, un pre-ARNm que aún no está listo para la síntesis de proteínas.
Expresión génica: Traducción
Cuando el ARNm sale del núcleo al citoplasma, se da la segunda etapa de la expresión génica. La información contenida en el ARNm debe ahora decodificarse de una secuencia de ARN a una secuencia de aminoácidos; esto que se denomina traducción.
La traducción es llevada a cabo por los ribosomas, las pequeñas estructuras que leen una molécula de ARNm para sintetizar un polipéptido. Esta decodificación se da siguiendo el código genético, que es la forma en que un ribosoma decodifica el mensaje de la molécula de ARNm (lo describimos a continuación).
El código genético en la expresión génica
El código genético es universal entre todos los organismos, y proporciona el marco de lectura que utiliza un ribosoma para decodificar la secuencia precisa de aminoácidos del ARNm. La información dentro de una molécula de ARNm se almacena en forma de agrupaciones de tres nucleótidos llamados codones.
El marco de lectura es la forma de leer una secuencia de nucleótidos de ADN o ARN separando las bases en una serie de tripletes o codones.
La secuencia de tres bases, en la mayoría de los codones, corresponde a un aminoácido específico. También existen codones de inicio, que marcan el sitio donde inicia la secuencia a decodificar; y codones de parada, que marcan el final del proceso de traducción.
El codón AGC, por ejemplo, codifica el aminoácido serina; mientras que el codón AUG, codifica el aminoácido metionina y, también, funciona como codón de inicio. Tres codones: UGA, UAG y UAA se conocen como codones de parada. Veamos qué significa esto:
Observa la siguiente secuencia de ARNm (hemos separado cada codón con diagonales para distinguirlos mejor):
5'-AUG/CCC/GGA/GGC/ACC/GUC/CAA-3'
Esta secuencia codifica una cadena polipeptídica corta con siete aminoácidos: Metionina-Prolina-Glicina-Glicina-Treonina-Valina-Glutamina. Si se elimina una base (C) del segundo codón, el marco de lectura cambiará por completo:
5′-AUG/CCG/GAG/GCA/CCG/UCC/AA_-3'.
El nuevo marco de lectura crearía una secuencia diferente de aminoácidos: Metionina-Prolina-Ácido Glutámico-Alanina-Prolina-Serina-_, además faltaría un último aminoácido. Curiosamente, si se eliminan las tres bases del codón del ARNm o del ADN, el marco de lectura no cambiaría. Sin embargo, al polipéptido le faltaría un aminoácido en su secuencia.
En resumen, el código genético tiene tres características importantes:
- El código genético es universal, lo que significa que todos los organismos poseen las mismas unidades en su código genético.
- El código genético es inequívoco, lo que significa que cada codón especifica solo un aminoácido.
- El código genético es degenerado, o redundante, lo que significa que la mayoría de los aminoácidos están especificados por más de un codón.
Por ejemplo, los codones GGU, GGA, GGG y GGC codifican el codón glicina. Los codones que codifican el mismo aminoácido se denominan codones sinónimos.
Control de la expresión génica
Aunque tengan un aspecto muy diferente y funciones muy distintas, las células de la piel y las del hígado tienen los mismos genes. Mientras que queremos que nuestras células capilares expresen genes que les permitan crecer y proliferar rápidamente (por ejemplo, para que nuestro pelo siga creciendo), ¡no queremos que nuestras células hepáticas hagan lo mismo!.
Por tanto, la regulación en la expresión de los genes es muy importante. No todos los genes funcionan, o se expresan, en una célula en un momento dado. Algunos genes se desactivan o se silencian, de forma permanente —por lo que nunca se expresan—; mientras que otros se desactivan, o se activan, según sea necesario.
La expresión diferencial de los genes permite que las células se especialicen, de modo que las distintas células expresan genes diferentes que corresponden a su función.
Así, las células del hígado expresan los genes necessarios para eliminar las toxinas del cuerpo, mientras que las células de la piel expresan los genes necesarios para formar una barrera impermeable que le proteja del exterior.
La expresión genética es la forma en que el genotipo da lugar al fenotipo; es la forma en que las células, y los organismos, adquieren su identidad.
El silenciamiento o desactivación de genes, también, puede realizarse de forma artificial en un laboratorio. Esta técnica es muy ventajosa en estudios de función génica porque, al silenciar un gen (en una célula u organismos completos), los científicos pueden determinar qué producto génico ya no se forma y cuál es su impacto. Esto es especialmente útil en el estudio de enfermedades genéticas.
La regulación de los genes desempeña un papel esencial en la capacidad de un organismo para adaptarse a los cambios del entorno. El momento, la ubicación y la cantidad en la que se expresan los genes deben estar estrechamente regulados. Este proceso es intrincado y se ejecuta a través de varios mecanismos y componentes, como los factores de transcripción y la epigenética.
Los factores de transcripción son proteínas que se unen a regiones específicas del ADN no codificante y ayudan a aumentar o disminuir la expresión de ciertos genes.
Los cambios epigenéticos son modificaciones químicas del ADN o de las proteínas histónicas que alteran la estructura física de la cromatina del ADN.
Aprende más sobre estos procesos en Regulación de la expresión génica.
Expresión Génica - Puntos clave
- La expresión génica es la decodificación de la información contenida en un gen codificante para producir un producto génico (proteínas o ARN).
- La expresión génica consta de dos etapas: la transcripción, que es la copia de la secuencia de ADN a una secuencia de ARN, y la traducción, que es la conversión de la secuencia de ARN a una secuencia de aminoácidos (polipéptido), o síntesis de proteínas.
- Las moléculas de ARN son muy importantes para la expresión génica: transportan la información genética a los ribosomas (ARNm), movilizando los aminoácidos para la síntesis de las proteínas (ARNt) y formando parte de los ribosomas (ARNr).
- El código genético provee el marco de lectura para la síntesis de polipéptidos, donde un grupo de tres bases nucleotídicas, o codón, corresponden a un aminoácido específico.
- Todas las células de un organismo contienen los mismos genes, por lo que necesitan una estrecha regulación que controle que se expresen solo los genes que se necesitan y cuando los necesitan.
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