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Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
(EXPRESIÓN GÉNICA)
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA Y SU EXPRESIÓN
3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
4.- TRANSCRIPCIÓN: SÍNTESIS DEL ARN
5.- MADURACIÓN DEL ARN
6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
9.- RESUMEN: Replicación / Transcripción / Traducción
ANTECEDENTESPAU:2002–Junio:traducción,etapasyexplicación;
códigogené;co;
2004–Junio:transcripciónytraducción,definición;
2004–Sep;embre:transcripciónytraducción,iden;ficaciónenesquemayexplicación;
2005–Sep;embre:códigogené;co,definiciónycaracterís;cas;
reparacióndelADN,cómoseproduce;
2006–Junio:transcripciónytraducción,definiciónylocalizaciónintracelular;
ARN,;posyfunciónenlasíntesisdeproteínas;
formacióndeADNapar;rdeARN;
2008–Sep;embre:códigogené;co,caracterís;cas;
2011–Junio:iden;ficacióndelatraducciónenEucariotas;
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
(EXPRESIÓN GÉNICA)
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
-.1ª Evidencia.- Experiencia de Griffith (1928)
Las bacterias muertas de
Streptococcus pneumoniae tenía
un “principio transformante” que
era captado por las bacterias vivas
no virulentas y transformaban sus
caracteres hereditarios
convirtiéndolas en virulentas.
-.2ª Evidencia.- Experiencia de Avery, McLeod y McCarthy (1944)
Aislaron a partir de los extractos de neumococos S (virulentos) muertos por calor cinco fracciones distintas:
polisacáridos, lípidos, proteínas, ARN y ADN Con cada una de ellas intentaron transformar las células
R vivas (no virulentas) ! S (virulentas) Comprobaron que ninguna de las fracciones era capaz de transformarlos excepto la
fracción que contenía ADN.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
-.3ª Evidencia.-
Experiencia de Hershey y
Chase (1952)
Experiencia con bacteriófagos
en el que se utilizaron marcajes
radiactivos con
P32 (ADN) y S35 (proteínas)
Se tuvo la certeza que el ADN
era el portador de la
información
Establecen una relación directa entre la molécula de ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima:
“un gen, una enzima”
No todas las proteínas son enzimas y hay proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas.
La hipótesis se transforma: “un gen, una cadena polipeptídica”
Neurospora crassa moho con el que trabajaron
produciendo mutaciones con rayos X
G. Beadle y E. Tatum
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA
" GENOMA : Material genético (ADN) de un organismo que se almacena en forma de GENES " GEN : Fragmento de ADN que lleva información para que unos determinados aminoácidos se unan en un orden concreto y formen una proteína. Es una unidad de información hereditaria que se expresa determinando una característica observable o FENOTIPO.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
A) PROCARIOTAS: " 1 solo cromosoma circular " Genes continuos (no existen zonas sin información) " Plásmidos ! moléculas pequeñas de ADN circular que se replican independientemente
B) EUCARIOTAS: " ADN se encuentra en el núcleo " Mayor cantidad de ADN que en Procariotas " Hay ADN repetitivo (secuencias ↑ repetidas que no codifican proteínas) " En los genes hay intrones (“sin información”) y exones (“con información”) " ADN se asocia a proteínas (histonas) " Mitocondrias y Cloroplastos tienen ADN circular (≈ Procariotas)
La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA, pero…
¿Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS?
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
ORGANICEMOS LAS IDEAS:
1.- El ADN ha de ser “leído” y “traducida” su información para ver qué aminoácidos
se sintetizan.
2.- Un “intermediario” “lee” esa información y se la “copia”
3.- A partir de la información del “intermediario”, se sintetizan los aminoácidos
ADN ARNm
TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN
ARNt
PROTEÍNA
REPLICACIÓN
Este esquema fue considerado durante muchos años el
“dogma central de la biología molecular”
RIBOSOMAS NÚCLEO
ARN ADN Traducción
Transcripción
Transcripción inversa
Replicación
PROTEÍNAS
• Algunos virus poseen ARN replicasa, capaz de obtener copias de su ARN.
• Otros poseen transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de ARN mediante un proceso
de retrotranscripción o transcripción inversa.
Replicación
REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
• 1: replicación del ADN • 2: transcripción • 3: traducción • 4: transcripción inversa (en algunos virus, p.e. VIH) • 5: replicación de ARN (en algunos virus)
5
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
RESUMIENDO…
# La síntesis de ARN o transcripción necesita:
CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE
ENZIMAS ! ARN -POLIMERASAS
RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U
En eucariotas
• ARN polimerasa I ARNr
• ARN polimerasa II ARNm
• ARN polimerasa III ARNt y ARNr
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 4.- TRANSCRIPCIÓN
# FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :
ARN polimerasa
3’
3’
5’
5’
ARN ADN
T A C A C G C C G A C G U CG U G G G C U G CA
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
T A C G A A C C G T T G C A C A T C
A U G C U U G G C A A C G U G
ARNpolimerasa
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
T A C G A A C C G T T G C A C A T C
A U G C U U G G C A A C G U G
m-GTP
ARNpolimerasa
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
A U G C U C G U Gm-GTP
Poli A-polimerasa
U A G A A A A A
ARNm precursor
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
TRANSCRITOPRIMARIO
MADURACIÓN
ARN -polimerasa
Región a transcribir Punto de inicio
ADN
Centro promotor
Señal de corte (AAUAA)
ARNm inmaduro Caperuza
Punto de corte
Caperuza
Procesos pos-transcripcionales
Degradación del ARN sobrante
Poli-A polimerasa
ARN mensajero para traducir
Poli-A
La polimerasa sigue transcribiendo un tiempo y después se para.
Final de la transcripción
La ARN-polimerasa se une al centro promotor y comienza la transcripción.
Continúa la transcripción del gen
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
# ORGANISMOSPROCARIONTES
# ORGANISMOSEUCARIONTES
Transcrito primario
ARNasa
ARNt ARNr
RNPpn
Exón Intrón
Exón
Intrón
Exón
Bucle
Punto de unión entre exones
Bucle
Los ARNm no sufren proceso de maduración
Los ARNt y ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene muchas copias del ARNt y ARNr.
El ARN transcrito primario sufre un proceso de “corte y empalme” por la ribonucleoproteína pequeña nucleolar (RNPpn) llamado splicing mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 5.- MADURACIÓN DEL ARN
ARNm precursor
AAAAAA AUG UAG
cola
MADURACIÓN en Eucariotas: " En el proceso de maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN‑ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro
" En casi todos los ARNm estudiados, aparece GU (en el punto de corte 5’) y AG (en el punto de corte 3’) de los intrones
" FUNCIÓN DE LOS INTRONES: no se sabe la función que cumplen • Existen casos en que un mismo Transcrito Primario produce 2 ARNm
diferentes siguiendo dos procesos de “corte y empalme” distintos
ARNm maduro
Cabeza
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Región codificadora del gen
Promotor E1 I1 E2 I2 E3 ADN
ARNm precursor
ARNm maduro
AAAAAA
AAAAAA AUG UAG
AUG UAG
ATC TAC
Cabeza
Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola
cola
Maduración del ARNm (Visión de conjunto).
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
AUG
Iniciación
UGA UAA UAG
Terminación
Ej. ¿Qué aminoácido está codificado por el codón GAC? ¿y si fuese GAG?
" Es el “diccionario” que traduce el la secuencia de bases del ARN ! aminoácidos
" Incluye 64 tripletes posibles (4 bases organizadas de 3 en 3: 43 = 64) que codifican para 20 aa proteicos, por lo que cada aa puede ser codificado por más de un triplete.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO
# UNIVERSAL
• Compartido por todos los organismos conocidos incluso los virus.
• El código ha tenido un solo origen evolutivo.
• Existen excepciones en las mitocondrias y algunos protozoos.
• A excepción de la metionina y el triptófano, un aminoácido está codificado por más de un codón.
• Esto es una ventaja ante las mutaciones.
# DEGENERADO
• Cada codón solo codifica a un aminoácido.
# SIN IMPERFECCIÓN • Los tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas
# CARECE DE SOLAPAMIENTO
Posibilidad de solapamiento Met Gli Tre His Ala Fen Ala
Met Leu Leu Pro
Solapamiento Codones de iniciación
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
ARN MENSAJERO AMINOÁCIDOS ENZIMAS Y
ENERGÍA
SUBUNIDAD PEQUEÑA
SUBUNIDAD GRANDE
SITIO A
SITIO P
SITIO E
ARNt con el aa
POLIPÉPTIDO
ARNt Don
de s
e si
túa
el
Tienen tres
lugares
Formados por
RIBOSOMAS
Donde se unen los
Donde se une el
Donde se une el EXTREMO 3’
Tiene dos
zonas
ARN DE TRANSFERENCIA
Por donde se une al
ANTICODÓN
AMINOACIL-ARNt -SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO
Como la
necesita
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN.
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
+ +
+
Aminoacil ARNt -sintetasa
Aminoácido Ácido aminoaciladenílico
ARNtx
Aminoácil -ARNtx Existenalmenos20aminoacil-ARNt-sintetasas,unaparacadaaminoácido.Sonenzimasmuyespecíficas
La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt
UnióndecadaaaconsuARNtcorrespondientemediantelaintervencióndeunaenzimaespecífica,laaminoacilARNt-sintetasa,ylaenergíaaportadaporelATP.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
1er aminoácido
ARNt Anticodón
Codón
ARNm
Subunidad menor del ribosoma
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
U A C
Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína. Se les une entonces el complejo formado por el ARNt-metionina (Met) (Eucariotas) o ARNt-N formil Metionina (f-Met) (Procariotas). La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón
del ARNt que transporta la metionina (Met).
5’ 3’
U G C U U A C G A U A G
Subunidad menor del ribosoma
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A U A C
Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma. El complejo ARNt-aminoácido2 , la glutamima (Gln) [ARNt-Gln] se sitúa enfrente del codón correspondiente (CAA). La región del ribosoma a la que se une el complejo ARNt-Gln
se le llama región aminoacil (A).
5’ 3’
G U U U G C U U A C G A U A G
ARNm AAAAAAAAAAA
P A
A U G C A A U A C
Elongación II: Se forma el enlace peptídico entre el grupo carboxilo de la metionina (Met) y el grupo amino del segundo aminoácido, la glutamina (Gln).
5’
G U U U G C U U A C G A U A G
3’
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera.
5’
G U U U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación IV: El ARNm se traslada, de tal manera que el complejo ARNt-Gln-Met queda en la región P (peptidil) del ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la
entrada del complejo ARNt-aa3
5’ 3’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación V: Entrada en la posición correspondiente a la región aminoacil (A) del complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys).
5’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys).
5’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina (Glu).
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARNt3-Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma.
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la leucina.
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
A A U
Leu
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación X: Este se sitúa en la región aminoacil (A).
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G A A U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XI: Unión del péptido Met-Gln-Cys con el 4º aminoácido, la leucina (Leu). Liberación del ARNt de la leucina. El ARNm se desplaza a la 5ª posición
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A A U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg).
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A A U G C U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XIII: Unión del péptido Met-Gln-Cys-Leu con el 5º aminoácido, la arginina (Arg). Liberación del ARNt de la leucina (Leu). El ARNm se desplaza a la 6ª posición, se trata
del un codón de finalización o de stop (UAG, UGA o UAA)
5’
U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
G C U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A 5’
U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
G C U
Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian hasta nueva síntesis y se separan del ARNm.
AAAAAAAAAAA
Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma.
5’
ARNm 3’
A U G C A A U G C U U A C G A U A G
Polirribosoma o polisoma. Si el ARNm que se tiene que traducir es largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez.
E P A
ARNt - Met
Codón iniciador (AUG)
ARNm
Subunidad grande
Posición E Posición P
Posición A
Aminoacil -ARNt El aminoácido se libera del ARNt
Desplazamiento del ribosoma
INICIACIÓN
ELONGACIÓN
5’ 3’
Enlace peptídico
La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm colocando el codón de iniciación AUG en el sitio P.
A continuación se coloca el primer aminoacil-ARNt con el aa N-f-Met en procariotas y el aa Met en eucariotas.
Finalmente se une la subunidad grande del ribosoma.
Se produce el alargamiento del péptido. Entra un nuevo amnoacil-ARNt complementario al codón del sitio A. Se formará un enlace peptídico entre los dos aa presentes gracias a la peptidil-transferasa. A continuación se trasloca el ribosoma en sentido 5’-3’ sobre 3 bases del ARNm, se libera el sitio A y el segundo ARNt se sitúa en el sitio P. Entra un nuevo aminoacil-ARNt en A. Se forma un nuevo enlace peptídico y se repite el proceso.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
ARNm
Separación de las dos subunidades del ribosoma
ARNm
Codón de terminación (UAA, UGA, UAG)
ARNt
Porción final de la cadena proteica
Factor de liberación
Se produce cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UGA o UAG), entonces entra en el sitio A un factor de liberación proteico que separa el péptido del último aminoacil-ARNt.
Todos los elementos se separan y la proteína adquiere su estructura tridimensional.
TERMINACIÓN
Si el ARN a traducir es lo suficientemente largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma.
POLIRRIBOSOMAS
Ribosoma
ARNm Proteína en formación
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Genes estructurales
Operador Promotor
Gen regulador
ARN-pol
Una célula no sintetiza todas las proteínas que es capaz, sino sólo aquellas que necesita según su función y momento vital. Es necesario un control que es muy complejo pero que en gran medida ocurre en la transcripción.
# EN PROCARIOTAS: Modelo del Operón (Jacob & Monod) Promotor: es una secuencia de nucleótidos en los que se une la ARN-pol para iniciar la transcripción. Genes estructurales: conjunto de genes relacionados con una misma función que se transcriben conjuntamente generando un ARN policistrónico. Operador: secuencia de nucleótidos situados entre el promotor y los genes estructurales. Gen regulador: codifica una proteína que actúa como represor uniéndose al operador e impidiendo que la ARN-pol pueda iniciar la transcripción.
EL OPERÓN LACTOSA
ADN
Transcripción bloqueada La ARN-pol no puede unirse al ADN
Transcripción desbloqueada
Inductor (alolactosa)
Represor activo
Promotor Operador
Complejo inactivo represor-inductor
Si hay lactosa en el medio, la bacteria necesita metabolizarla y para ellos requiere 3 enzimas. Es un derivado de la lactosa quien se une al represor y lo inactiva de manera que deja libre el ADN y permite el trabajo de la ADN-pol.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
# REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA en EUCARIOTAS Es un proceso mucho más complejo y menos conocido.
Es importante destacar que es esta regulación la que permite que, a partir de un mismo paquete de genes, se origine la gran diversidad de tipos celulares presentes en un organismo pluricelular complejo.
Promotor: es una secuencia de nucleótidos que suele estar situado cerca del gen que se va a transcribir. Tiene un punto de unión para proteínas activadoras que permiten la unión de la ARN-pol. Elementos activadores: controlan la transcripción y pueden estar muy distantes del gen. Suelen ser activados para su transcripción por otras proteínas. Proteínas activadoras: actúan uniéndose al promotor y a los elementos activadores, permitiendo que a continuación se una la ARN-pol. Pueden activar múltiples elementos a la vez.
LA REGULACIÓN HORMONAL
Muchas hormonas actúan como mensajeros químicos que controlan la expresión génica. Es el caso de las hormonas esteroideas que pueden entrar en cualquier tipo de célula pero sólo en aquellas que presentan un receptor específico forman un complejo hormona-receptor que actúan como activador de la transcripción.
Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio
Proteína receptora del citoplasma
Complejo hormona-receptor
Transcripción
ARNm
Unión del complejo al ADN celular
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
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