BackTranscripción y Regulación de la Expresión Génica: Estructura y Función del Genoma Humano
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Transcripción y Regulación de la Expresión Génica
Dogma Central de la Biología Molecular
El dogma central de la biología molecular describe el flujo de información genética en la célula, desde el ADN hasta la síntesis de proteínas.
ADN se transcribe a ARN mensajero (mRNA).
El mRNA se traduce para formar proteínas.
Este proceso es fundamental para la expresión génica y la función celular.
Ejemplo: La transcripción de genes de hemoglobina en eritrocitos permite la producción de proteínas necesarias para el transporte de oxígeno.
Biomoléculas: Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos son macromoléculas esenciales que almacenan y transmiten la información genética.
Nucleótido: Unidad básica formada por una pentosa (azúcar), una base nitrogenada y un grupo fosfato.
Enlace fosfodiéster: Une el carbono 3' de una pentosa al carbono 5' de la siguiente, formando la cadena de ADN o ARN.
Fórmula:
Composición Química de los Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos están compuestos por diferentes tipos de bases nitrogenadas y azúcares.
Bases nitrogenadas: Moléculas cíclicas que contienen átomos de carbono y nitrógeno.
Pirimidinas: Un solo anillo (Citosina, Timina, Uracilo).
Purinas: Dos anillos (Adenina, Guanina).
Azúcar pentosa: Ribosa (ARN) y desoxirribosa (ADN).
Grupo fosfato: Responsable de las cargas negativas y el carácter ácido del ADN.
Estructura del ADN
El ADN es una molécula de doble hélice formada por dos cadenas antiparalelas y complementarias.
Las cadenas están unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
Adenina se une a Timina mediante dos puentes de hidrógeno.
Guanina se une a Citosina mediante tres puentes de hidrógeno.
Tipos de Genoma Humano
El genoma humano incluye toda la información genética contenida en el ADN de una célula.
Genoma nuclear: ADN contenido en el núcleo celular.
Genoma mitocondrial: ADN contenido en las mitocondrias.
El genoma nuclear es mucho más grande que el mitocondrial.
Proyecto Genoma Humano
El Proyecto Genoma Humano permitió la secuenciación completa del ADN humano.
Genoma nuclear: ~3,054,815,472 pares de bases.
Genoma mitocondrial: ~16,569 pares de bases.
Número de genes: ~63,494, de los cuales ~19,969 son codificantes.
DNA y Cromosomas
El ADN se empaqueta en cromosomas para su organización y distribución durante la división celular.
El empaquetamiento progresivo del ADN forma cromosomas metafásicos.
Las células somáticas humanas tienen 46 cromosomas (23 pares).
Las células germinales tienen 23 cromosomas.
Estructura del ADN: Nucleosoma y Solenoide
El ADN se organiza en el núcleo mediante la unión a proteínas histonas, formando nucleosomas y estructuras superiores.
Nucleosoma: Unidad básica de la cromatina, formada por un octámero de histonas (2 copias de H2A, H2B, H3 y H4).
Solenoide: Estructura de 30 nm formada por la asociación de nucleosomas, estabilizada por la histona H1.
El empaquetamiento influye en la actividad transcripcional de los genes.
Cariotipo Humano
El cariotipo es la representación ordenada de los cromosomas metafásicos de un individuo.
Cariotipo femenino: 46, XX
Cariotipo masculino: 46, XY
Gen Codificante de Proteínas
Un gen codificante de proteínas es una unidad de ADN que contiene la información para sintetizar una proteína funcional.
Promotor: Región regulatoria donde se une la RNA polimerasa para iniciar la transcripción.
UTR (Untranslated Region): Regiones no traducidas en los extremos 5' y 3' del gen.
Genes codificantes de proteínas tienen en promedio 53,600 pb y 9.8 exones.
Secuencia Promotora de un Gen
La secuencia promotora es esencial para la regulación de la transcripción génica.
Promotor: Sitio de unión de la RNA polimerasa y factores de transcripción.
Incluye secuencias consenso (-35) y la caja TATAAT (-10).
El sitio de inicio de la transcripción es +1.
Transcripción del DNA
La transcripción es el proceso por el cual la información genética del ADN se copia en ARN mensajero.
RNA polimerasa: Cataliza la síntesis de ARN en dirección 5' a 3'.
El ARN mensajero es complementario a la hebra molde del ADN, con uracilo en lugar de timina.
Etapas:
Iniciación: Factores de iniciación separan las hebras de ADN y posicionan la RNA polimerasa.
Elongación: La RNA polimerasa avanza añadiendo ribonucleótidos al extremo 3'.
Enlace fosfodiéster: Se forma entre nucleótidos, liberando pirofosfato.
Procesamiento del mRNA
Antes de salir del núcleo, el mRNA sufre modificaciones que aseguran su estabilidad y funcionalidad.
Formación de la caperuza (5' Cap): Adición de 7-metilguanosina al extremo 5'.
Splicing: Eliminación de intrones y empalme de exones.
Poliadenilación (extremo 3'): Adición de 100-250 adeninas por la polimerasa de poli A.
Procesamiento del mRNA → 5' Cap
La fosforilación del CTD recluta la maquinaria para el capping.
La caperuza protege el mRNA de la degradación y facilita su transporte y traducción.
Procesamiento del mRNA → Splicing
Elimina intrones y une exones.
Existen sitios donores y sitios aceptores que identifican las uniones.
Procesamiento del mRNA → Splicing Alternativo
Permite la generación de diferentes isoformas de proteínas a partir de un mismo gen.
El 90% de los genes humanos se expresan con splicing alternativo.
Procesamiento del mRNA → Poli A
Secuencia de poli(A) reconocida por un complejo proteico.
La polimerasa de poli A agrega adeninas y protege el mRNA de la degradación.
Traducción: Decodificación de los mRNAs por los tRNAs
La traducción es el proceso por el cual la información del mRNA se convierte en una secuencia de aminoácidos para formar proteínas.
Ocurre en el citoplasma, donde los ribosomas y tRNAs cooperan.
El orden de los aminoácidos determina la estructura y función de la proteína.
Metilación y Regulación de la Transcripción
La metilación del ADN en islas CpG puede bloquear los sitios de unión para factores de transcripción, regulando la expresión génica.
Islas CpG: Segmentos de ADN con alta concentración de dinucleótidos CpG.
MeCP: Proteínas que reconocen citosinas metiladas y pueden reclutar complejos de remodelamiento de cromatina.
Modificaciones Covalentes de Histonas
Las modificaciones postraduccionales de las histonas regulan la expresión de los genes.
Acetilación: Lisinas.
Metilación: Lisinas y argininas.
Fosforilación: Serinas.
Genes de RNA: No Codificantes de Proteínas
Existen genes que codifican para diferentes tipos de RNA no codificantes, con funciones diversas en la célula.
Clase de RNA | Familia o subclase | Nº de diferentes tipos | Función | Tamaño (nt) |
|---|---|---|---|---|
RNA ribosomal (rRNA) | 18S, 5.8S, 28S, 5S | 22-49 | Traducción | 75-5000 |
RNA de transferencia (tRNA) | Muchos | 245 | Traducción | 70-90 |
RNA pequeño nuclear (snRNA) | U1, U2, U4, U5, U6 | Muchos | Splicing | 100-300 |
MicroRNA (miRNA) | Muchos | Más de 1000 | Regulación postranscripcional | 21-23 |
Long non-coding RNA (lncRNA) | Muchos | Más de 30,000 | Regulación de la expresión génica | 200-100,000 |
Biogénesis de microRNAs
Los microRNAs son pequeños RNAs monocatenarios no codificantes que regulan la expresión génica.
Tamaño: 21-25 nucleótidos.
Codificados en todo el genoma.
Participan en la regulación postranscripcional de genes.
Genotipo y Diversidad Celular
El genotipo da origen a diversas formas celulares mediante la expresión diferencial de genes.
Las células diferenciadas (neuronas, glóbulos rojos, oligodendrocitos, etc.) surgen de la activación de diferentes programas génicos.
Additional info: Estos temas corresponden principalmente a los capítulos 2 (Chemical Level of Organization), 3 (Cellular Level of Organization), y 29 (Development and Inheritance) del temario de Anatomía y Fisiología, con énfasis en la estructura y función de los ácidos nucleicos, el genoma humano, y la regulación de la expresión génica.
