Del ADN a las

proteínas

DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

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

El ADN como material hereditario

Bacteria con cápsula(virulenta)

Tipo S

Bacterias Smuertas por calor

Tipo R

Bacteria sin cápsula(no virulenta)

Bacterias Smuertas por calor

Bacterias Rvivas

1 2

3 4

De los ratones muertos se extraen bacterias vivas de la cepa S

De los ratones inoculados no se extraen bacterias vivas

De los ratones inoculados no se extraen bacterias vivas, pues no crecen en el animal.

De los ratones muertos se extraen bacterias vivas de la cepa S

Experimentos de Griffith 1928

AVERY, McLEOD Y McCARTHY (1944). Avery, McLeod y McCarthy aislaron a partir de los extractos de neumococos SIII (virulentos) muertos por calor cinco fracciones distintas con el mayor grado de pureza posible en la época. Estas cinco fracciones diferentes fueron una correspondiente a Polisacáridos, otra de Lípidos, una de Proteínas, otra de ARN y otra de ADN.

el Principio Transformante detectado por Griffith debe ser el ADN.

Con cada una de estas fracciones procedentes de SIII intentaron transformar las células RII vivas en SIII. Comprobaron que ninguna de las fracciones era capaz de transformar los neumococos RII en SIII excepto la fracción químicamente pura que contenía ADN (ácido desoxirribonucleico).

Hershey y Chase

Bacteriófago T4

En 1952, identificaron al ADN como el material genético mediante un experimento de bacteriófagos, pero ¿QUE ES UN BACTERIÓFAGO? son virus que afectan a las bacterias, formados por una sola estructura proteica, compuesta por la cabeza, cuello, cola, espícula placa basal, fibras de cola y ADN que se encuentra en el área de la cabeza.

Para la identificación del material genético, Hershey y Chase utilizaron al fago t2 el cual infecta a la bacteria Escherichia coli, usando marcadores como el P32 que se puede recuperar despues de la multiplicación del fago t2 en el ADN y el S35 que se puede recuperar en la estructura proteica determinando así que solo el ADN se transmitía a sus descendientes

1948 Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle muestran que los genes codifican las proteínas

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

• Beadle y Tatum en 1948, realizaron unas experiencias irradiando con UV un hongo.– UV proteínas, no las altera– UV ADN lo altera

Al irradiar con UV el hongo, no sintetiza determinados enzimas (proteínas)

– Se deduce: si los UV no destruyen a las proteínas, pero alteran al ADN y al alterarlo no se han sintetizado las proteínas, está clara la relación entre ADN y proteínas .

(gen enzima)

Linus Pauling

Descubre, estudiando la anemia falciforme, la relación entre una mutación en el ADN y la pérdida de actividad biológica de una proteína: En la cadena el sexto aminoácido, que debería ser ácido glutámico, es sustituido por valina.

Globulos rojos

Normales Falciformes

• Una vez establecido el paralelismo entre genes y enzimas y tras ser propuesto, en1.953, el modelo de doble hélice por Watsony Crick, este último propuso la denominada

Hipótesis de colinealidad de CRICK:

" Existe una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos de la enzima codificada"

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.

(RT) TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN

REPLICACIÓN

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?

Complejidad del genoma eucariota

• Parte del genoma de los organismos eucariotas no codifica para proteínas:– ADN altamente repetitivo, centrómeros, ADN satélite,

telómeros (5% del genoma humano) – ADN moderadamente repetitivo, SINEs, LINEs, ARNr

y VNTRs (30% del genoma humano)

• Los organismos eucariotas contienen secuencia no codificante (no traducida a proteína) incluso dentro de la secuencia génica

Diferentes genes para diferentes RNAsHay 4 tipos de RNA.

El DNA genómico contiene toda la información de la estructura y funcionamiento de un organismo. En cada célula, solamente algunos de los genes se expresan, es decir se transcriben en RNA.

Hay 4 tipos de RNA, cada uno codificado por un tipo de gen:

•mRNA - RNA mensajero: Codifica la secuencia de aminoácidos de un polipéptido.

• tRNA - RNA transferente: Lleva los aminoácidos a los ribosomas durante la traslación.

•rRNA - RNA ribosómico: Con proteinas ribosómicas, constituye los ribosomas, encargados de la traslación de mRNA.

• snRNA - RNA pequeño nuclear: Está implicado en el proceso de maduración del RNA en las células eucariotas.

Generalidades sobre la transcripción:• Constituye el primer proceso de la expresión génica,

mediante el cuál se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios.

• Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa

• La enzima no requiere cebador• La enzima elonga en la dirección 5’ -> 3’ mediante la

formación de enlaces en el extremo 3’ OH.• La síntesis sólo se inicia a partir de secuencias promotoras

e implica el desenrollado parcial del ADN. • Las dos diferencias principales entre Replicación y

Transcripción son:- Sólo se transcribe una cadena molde de ADN- Sólo una pequeña fracción de potencial genético global de

un organismo se ejecuta en la célula.

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

FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :

11.- .- INICIACIÓN: ARN-polimerasa reconoce el ADN y abre la doble hélice

22.- ELONGACIÓN : la ARN-polimerasa lee el ADN molde y sintetiza el ARNm

33.- TERMINACIÓN : ARN-polimerasa lee en el ADN una señal de terminación. Se cierra la burbuja de ADN y se separa la ARN-polimerasa del ARN transcrito

Estructura básica de un gen codificador de proteínas

Un gen codificador de proteínas consiste en un promotor, seguido de la secuencia de codificación de la proteína y de un terminador.

El promotor es una secuencia de pares de bases que especifica dónde debe comenzar la transcripción.

El terminador es una secuencia que especifica el final de la transcripción en mRNA.La transcripción comienza en el promotor, por toda la región de codificación, y se acaba en el terminador.

(5)’ CGCTATAGCG (3’) cadena codificadora del DNA

(3’) GCGATATCGC (5’) cadena molde del DNA

(5’) CGCUAUAGCG (3’) transcrito de RNA

Orientación y nomenclatura de las cadenas en relación a la transcripción

¿Qué cadena de la doble hélice es la codificadora? Depende de cada gen, no es un propiedad del

cromosoma. Orientación de la transcripción

Transcripción procariotas

Debido a que no hay núcleo para separar los procesos de transcripción y traducción, cuando se transcriben los genes de las bacterias, sus transcripciones pueden traducirse inmediatamente.

• En procariotas una sola polimerasa (RNA Polimerasa) se encarga de transcribir el DNA en las diferentes clases de RNA

ESTRUCTURA (E. coli)• Se compone de 5 subunidades: 2 subunidades

idénticas, , ’, ω, más el cofactor .• El cofactor tiene la propiedad de disociarse

del resto de subunidades durante el proceso dejando el núcleo central de la enzima al descubierto.

RNA polimerasa

Etapas de la transcripción •Iniciación:La polimerasa se une a secuencias específicas dentro del ADN, denominadas centros promotores. La subunidad σ colabora en la localización de la secuencia promotora

Centros promotores* Los promotores presentan diferentes eficacias en la

iniciación de la transcripción.1 transcripción cada 2 segundos a 1 cada 10 minutos

* Los promotores más fuertes tiene secuencias –35 y –10 que coinciden con las consensos.

* La distancia óptima entre ambas secuencias consensos es de 17 nucleótidos.

* La ARN polimerasa se une al ADN de manera inespecífica y busca el sitio promotor desplazándose por la molécula de ADN.

* Puede detectar las secuencias –35 y –10 sin desenrollar la doble hélice.

• La ARN polimerasa produce una separación de la molécula de ADN en una región situada entre –9 a +2.

• En concreto cada ARN polimerasa unida desenrolla un segmento de ADN de 17 pb.

Elongación• Tras la polimerización de 6-10 nucleótidos la subunidad

σ se separa de la holoenzima. • La burbuja de transcripción (ARN polimerasa, ADN

molde y ARN naciente), se desplaza a lo largo de la molécula de ADN.

• El ARN sintetizado se enrolla con la hebra de ADN molde formándose un híbrido ADN-ARN, de unos 8-10 nucleótidos de longitud.

• La región desenrollada del ADN y la longitud del híbrido DNA-RNA permanecen constantes mientras la ARN polimerasa avanza por el molde.

• La molécula de ADN debe de ir desenrollandose por delante de la burbuja y enrollandose por detrás.

Finalización• Se paraliza la formación de enlaces fosfodiésteres.• Se separa el híbrido ARN-ADN.• Se rebobina el ADN y se libera la ARN polimerasa.

¿ Dónde se termina la transcripción?

* Existen secuencias de parada (stop signals) en el ADN.

* Una de ellas consiste en una región palindrómica rica en GC seguida de otra rica en AT.

* El factor rho detecta señales de terminación no detectadas por la RNA polimerasa. Los ARN que presentan señales de terminación dependientes de rho(ρ) no suelen presentar el lazo en horquilla seguido de uracilos.

Debilita la interacción entre el molde y el transcrito provocando su separación, la de la enzima y la del propio factor rho

Transcripción Células eucariotas

En las células eucariotas ambos procesos están espacial y temporalmente separados; la transcripción se lleva acabo en el núcleo produciendo una molécula de pre-mRNA.

La molécula de pre-mRNA se procesa para producir el mRNA maduro, que sale del núcleo y es traducido en el citoplasma.

TRANSCRIPCION EN EUCARIOTAS

• Es un proceso de mucha discriminación (según el tejido o etapa del desarrollo serán los genes que se van a transcribir)

• La maquinaria de la transcripción debe tener en cuenta la compleja estructura de la cromatina eucariota

• Requiere de varios tipos de RNA polimerasas• La RNA polimerasa requiere de factores

adicionales llamados factores de transcripción para iniciar la transcripción

• Tiene que haber un procesamiento complejo del mRNA que permita escindir los intrones del mensaje y transportar la molécula al citoplasma

RNA POLIMERASAS

POLIMERASA LOCALIZACION RNA SINTETIZADOS

I Núcleo pre – rRNA (excepto la subunidad 5S)

II Núcleo pre – mRNA, RNA nucleares pequeños (snRNA)

III Núcleo pre – tRNA, rRNA 5S, otros snRNA

Mitocondrial Mitocondria Mitocondrial

Cloroplástica Cloroplasto Cloroplástico

RNA POLIMERASA II

• TRANSCRIBE LOS GENES ESTRUCTURALES, ES DECIR, LOS QUE SE TRADUCEN A PROTEINAS

• Contiene múltiples subunidades• Intervienen al menos 7 factores de transcripción: TFIIA,

TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH y TFIIJ• El factor critico es TFIID que se une a la caja TATA que es

el equivalente eucariota a la región -10

• Los genes de eucariotas, al igual que los de procariotas, precisan de promotores para iniciar la transcripción Destacar la presencia de la región TATA box hacia el nucleótido –25

• En eucariotas, además de la región promotora existen otras regiones intensificadoras (enhancers) que participan también en la iniciación.

• Las secuencias intesificadoras no tienen una localización precisa respecto al sitio de iniciación.

• Las secuencias intesificadoras son bidireccionales.• Pueden ejercer su efecto sobre promotores situados a

miles de pares de bases de distancia.

Las proteínas del potenciador se unen a las proteínas del promotor induciendo la transcripción

Cuando se han unido unos 30 nucleótidos, en el extremo 5’ se añade la metil guanosín trifosfato (caperuza)

La pol II sigue transcribiendo mas allá de la señal de terminación pasando a través de varias regiones AATAAA.El pre-mRNA que transporta esta señal en forma de AAUAAA se rompe por una endonucleasa que reconoce la señal y corta entre 11 y 30 residuos hacia el lado 3’Luego se añade una cola poli-A de hasta 200pb mediante una polimerasa especial que no esta dirigida por un molde

mRNA en Células ProcariotasLa secuencia de un gen codificador de proteínas en una célula procariota es colineal con el mRNA trasladado; esto es, la transcripción del gen es la molécula que se traslada en un polipéptido.

Los ARNt y ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene muchas copias del ARNt y ARNr.

mRNA en Células EucariotasLa secuencia de un gen codificador de proteínas en una célula eucariota no es normalmente colineal con el mRNA trasladado; esto es, la transcripción de un gen es una molécula que debe ser procesada para eliminar las secuencias extra (intrones) antes de trasladarlo en un polipéptido.

Procesado del pre-mRNA (Splicing)

La mayor parte de los genes codificadores de proteínas en las células eucariotas contienen segmentos denominados intrones, que dividen la secuencia codificadora de aminoácidos en segmentos denominados exones. La transcripción de estos genes es pre-mRNA (mRNA precursor). El pre-mRNA es procesado en el núcleo para eliminar los intrones y unir los exones en una cadena de mRNA trasladable. Este mRNA sale del núcleo y se traslada en el citoplasma.

LA TRANSCRIPCIÓN DIFERENCIAS PROCARIOTAS CON

EUCARIOTAS• 1ª) En los procariotas el ARNm no tiene ni

caperuza ni cola.• 2ª) Tampoco tiene intrones y por lo tanto no

requiere de un mecanismo de maduración.• 3ª) Al mismo tiempo que el ARNm se

transcribe se está ya traduciendo.• 4ª) Los genes son policistrónicos, esto es,

un ARNm contienen información para varias proteínas.

Código Genético

Se consiguió encontrar gracias a los siguientes descubrimientos:– Severo Ochoa y otros (1955) aislaron la

polinucleótido fosforilasa (enzima capaz de unir nucleótidos sin hebra patrón):

formaron un poliU (UUUUUUUU……).

Código que establece la relación entre nucleótidos y aminoácidos

SEVERO OCHOA (1905-1993)

Premio Nobel 1959

Descubrimiento de la Polinucleótido fosforilasa

Poli U

Preparan 20 tubos con extracto de E. Coli y lo necesario para síntesis de proteínas. Añadieron en cada tubo uno de los 20 aminoácidos marcados radiactivamente.

Añaden a cada tubo ARN igual al sintetizado por Severo Ochoa: “poli U”

En sólo uno de los tubos se obtuvo un polipéptido que era de fenilalanina. Aceptando que el código genético está formado por tripletes, dedujeron que el UUU codificaba para fenilalanina.

Fen - Fen - Fen - Fen - Fen

* * * * *

Niremberg (1961), utilizando moléculas de poliU, realizó la siguiente experiencia:

• Dedujo: hay colinearidad entre Uracilo y Fenilalanina.

• Si repetía la experiencia con poliC, sólo se unían los aminoácidos en el tubo de la Prolina, por lo tanto hay colinearidad Citosina y Prolina.

UUUUUUU.. -> Phe-Phe-Phe-Phe...CCCCCCC... -> Pro-Pro-Pro-Pro...AAAAAAA... -> Lys-Lys-Lys-Lys...GGGGGGG... -> Gly-Gly-Gly-Gly...

UUU PheCCC ProAAA LysGGG Gly

Características del código genéticoUNIVERSAL

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 IMPERFECCIÓNLos tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas

CARECE DE SOLAPAMIENTO

Met Gli Tre His Ala Fen Ala

Met Leu Leu Pro

SolapamientoCodones de iniciación

El código genético está compuesto por El código genético está compuesto por codonescodones (codon= 3 bases nitrogenadas) (codon= 3 bases nitrogenadas) que definen el proceso de que definen el proceso de traduccióntraducción

•6161 codones para aminoácidos codones para aminoácidos (existen (existen 20 aminoácidos 20 aminoácidos diferentesdiferentes))•33 codones de terminacióncodones de terminación

El código genético es El código genético es universaluniversal

El código genético es El código genético es redundanteredundante (varios (varios codones para un codones para un mismo aminoácido)mismo aminoácido)

EjemploEjemplo: El : El aminoácido aminoácido glicina glicina está codificado por está codificado por GGU, GGC, GGA y GGG GGU, GGC, GGA y GGG

Son necesarias señales de inicio y final para que empiece y termine la traducción

UAA

UAG

UGA

Señales de detención

AUG Señal de inicio (único codón de la metionina)

Metionina es siempre el primer aminoácido que se incorpora a la cadena polipeptídica

Sin embargo, en la mayoría de los casos el residuo se elimina después de la traducción

TraducciónTraducción• Es la síntesis de una molécula de proteína, de acuerdo

con el código contenido en la molécula de ARNm.• Se llama traducción porque comprende el cambio del

“lenguaje” de ácidos nucleicos (sucesión de bases) al lenguaje de proteínas (sucesión de aminoácidos).

• En el citoplasma, el ARNm se mueve hacia los ribosomas. Los aminoácidos que se necesitan están dispersos por el citoplasma. Los aminoácidos correctos llegan al ARNm por el ARNt.

• Las moléculas de ARNt son más cortas que las de ARNm y tienen la forma de una hoja de trébol.

• En uno de los lazos de la molécula de ARNt hay un conjunto de tres bases llamado anticodón. El lado opuesto transporta un aminoácido.

• Cada tARN contiene un triplete de nucleótidos denominado anticodón, que es complemetario de un codón en el mARN para el aminoácido concreto

• Es necesaria una enzima específica para realizar la unión entre cada tARN y el correspondiente aminoácido denominada aminoacil-tARN sintetasa

• Los ribosomas son los encargados de juntar los tARN y mARN para efectuar la traducción.

• El mensaje se lee en dirección 5’ 3’, y la cadena polipeptídica se sintetiza comenzando por el residuo N-terminal.

activación del aminoácidoactivación del aminoácido

+ +

+

Aminoacil ARNt -sintetasa

AminoácidoÁcido aminoaciladenílico

ARNtx

Aminoácil -ARNtx

Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas

La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt

Unión de cada aa con su ARNt correspondiente mediante la intervención de una enzima específica, la aminoacil ARNt-sintetasa, y la energía aportada por el ATP.

iniciación y elongacióniniciación y elongación

EP

A

E P A

ARNt - Met

Codón iniciador (AUG)

ARNm

Subunidad grande

Posición EPosición P

Posición A

Aminoacil -ARNtEl 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 aminoacil-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.

terminaciónterminación

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

ARNmProteína en formación

Sitio ASitio P

AUG CGU UUU CUA GUU UAAUAC

Phe

AAA

NH2

F-Met

Arg

Leu

GAU

NH2

F-Met

Arg

Phe

Val

CAA

Codón de

Terminación

NH

2F-

Met

Arg

Phe

Leu

P

E

P

T

I

D

I

L

T

R

A

N

S

F

E

R

A

S

A

P

E

P

T

I

D

I

L

T

R

A

N

S

F

E

R

A

S

A

P

E

P

T

I

D

I

L

T

R

A

N

S

F

E

R

A

S

A

P

E

P

T

I

D

I

L

T

R

A

N

S

F

E

R

A

S

A

R1

F

R2

F

F-Met

Arg

Phe

Val

Leu

COOH

NH2

P

E

P

T

I

D

I

L

T

R

A

N

S

F

E

R

A

S

A

ARNm

5’

3’

Polirribosomas

Microfotografía electrónica (MET, falso color) de un polirribosoma.

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.

Ribosoma

ARNm

Proteína en formación

Traducción en Procariontes y Eucariontes

PROCARIONTESPROCARIONTES EUCARIONTESEUCARIONTESARNm policistrónicos: codifican para varias proteínas (hay varios sitios de inicio de la traducción)

ARNm monocistrónicos: codifican para una sola proteína (hay un solo sitio de inicio para la traducción)

La traducción comienza en el codón AUG (formilmetionina)

La traducción comienza en el codón AUG (metionina)

El ARNm tiene, previa al codón inicio, una secuencia que le permite reconocer y unirse al ribosoma.

El ribosoma se une al ARNm al reconocer el cap

Las moléculas proteicas “Factores de Iniciación” y “Factores de Elongación” son diferentes para células procariontes y eucariontes.

Las moléculas proteicas “Factores de Iniciación” y “Factores de Elongación” son diferentes para células procariontes y eucariontes.

No todos los genes se expresan simultáneamente ni al mismo nivel

Genes constitutivos: se expresan al mismo nivel independientemente de las condicionesambientales

Genes regulados: se expresan a distintos niveles (o no se expresan) dependiendo de las condiciones

Genes constitutivos y genes regulados

Regulación de la expresión génica

Regulación de la expresión génica en procariotas

• Un primer nivel de regulación se establece en las secuencias promotoras que sean lo más parecidas posibles a las secuencias consenso.

• Un segundo nivel es el modelo del operón propuesto por Jacob y Monod en 1961

Francois Jacob Jacques Monod

Los operones son inducibles reprimibles de acuerdo al mecanismo de controlEl Operón lactosa, que abreviadamente se denomina Operón lac, es un sistema inducible.

La proteína reguladora, producto del gen regulador , es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor.

El inductor en este caso es la lactosa

Supone que el ADN que codifica la formación de los enzimas necesarios para la degradación de la galactosa contiene:

dos tipos de genes:Estructurales (z, y, a):Codifican proteínas estructurales y enzimáticasReguladores (i):Codifican proteínas que regulan a los genes

estructuralesElementos de control:Zona promotor (p) : lugar al que se une la ARNp.Zona operador (o) :debe estar libre para que pueda actuar la ARNp

modelo del operón lactosa:

Operón lactosa en ausencia de lactosa

Cuando un producto del metabolismo, el triptofano por ejemplo, está en cantidades suficientes la bacteria puede dejar de fabricar las enzimas que los sintetizan. En este sistema, el producto funciona como correpresor uniéndose al represor y de este modo

detiene la síntesis proteica.

Operón triptófano: en presencia de triptófano

Operón triptófano: en ausencia de triptófano

Represor inactivo

Tanto la represión como la inducción son ejemplos de control negativo, dado que la proteína represora detiene (" turn off ") la transcripción. 

La lactosa, el azúcar de la leche, es hidrolizada por la enzima beta-galactosidasa. Esta enzima es inducible: solo se produce en grandes cantidades cuando la lactosa, el sustrato sobre el cual opera, esta presente.

En cambio, las enzimas para la síntesis del aminoácido triptófano se producen continuamente a menos que el triptófano este presente en el medio de cultivo, se dice en este caso que las enzimas sintetizadoras de triptófano están reprimidas.

Operón lac: control positivo inducible

ADN Pre-ARNm ARNm Proteína Proteínaactiva

Transcripción Splicing Traducción Modificaciones post-traduccionales

CromatinaADN-B ADN-Z

Nivel principal de regulación

Splicing alternativo

Estabilidad

Transcripciónal Post-transcripción Post-Traduccional

Niveles de regulación en eucariotasTodas las células de un organismo pluricelular tienen el genoma, pero no todas sintetizan las mismas proteínas.

La regulación génica se lleva a cabo en diferentes momentos.

1)  CONFORMACION Y ESTRUCTURA   DEL ADN1)  CONFORMACION Y ESTRUCTURA   DEL ADN Compactación diferencial de la cromatinaCompactación diferencial de la cromatina• La compactación de la cromatina afecta la capacidad de unión de

las enzimas y factores transcripcionales de genes específicos. La cromatina se puede dividir en dos clases según su patrón de tinción. La eucromatina se tiñe suavemente y se corresponde con regiones  del genoma que están disponibles  para la transcripción. Por otro lado,  la heterocromatina, se tiñe intensamente  y se corresponde a regiones del genoma que  están densamente compactadas e inaccesibles para el aparato transcripcional.Se pueden distinguir dos clases de heterocromatina: la constitutiva y la facultativa. La constitutiva hace referencia a cromosomas o parte de ellos que son heterocromáticos en todas las células de una misma especie, mientras que la facultativa implica zonas de cromosomas que se pueden descompactar tornándose en  eucromatina  en algunas células de un mismo organismo.

• Secuencias características de organización del DNA como los  palíndromes así como la disposición espacial del  DNA Z han sido relacionados con señalizaciones para el sitio de inicio de la transcripción.Modificaciones covalentes del ADNModificaciones covalentes del ADN

• Metilaciones de  residuos de desoxi citidina

2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA 2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICAEXPRESION GENETICA

• Constituye uno de los modos más importantes de regulación de la expresión proteica en eucariontes. En esta categoría están incluídos los promotores, la presencia de secuencias regulatorias potenciadoras (enhancers), y la interacción entre múltiples proteínas activadoras o inhibidoras que actúan mediante su unión a secuencias específicas de reconocimiento al ADN.

3) CONTROL  POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA 3) CONTROL  POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICAEXPRESION GENETICA

SITIOS DE POLIADENILACION ALTERNATIVA: SITIOS DE POLIADENILACION ALTERNATIVA: • En este caso hallándose sobre un mismo gen varios

sitios susceptibles de ser poliadenilados como es el caso del gen para la cadena pesada m de inmunoglobulina. Dependiendo del sitio 3’ poliadenilado, la proteína resultante puede anclarse a membrana o ser secretada, de acuerdo al estadío de desarrollo en que se encuentra la célula.

SPLICING ALTERNATIVO: SPLICING ALTERNATIVO: • Es un mecanismo muy difundido, que permite que un

solo gen pueda codificar para más de una proteína. En muchos de estos casos se conoce más de una vía para procesar el transcripto primario obteniendo proteínas estructural y funcionalmente diferentes  o bien isoformas de una proteína. El mecanismo por el cual la célula selecciona los sitios no está claro.

Procesamiento (splicing) alternativo

EDICIÓN DEL ARN (Mutagénesis dirigida del ARN): EDICIÓN DEL ARN (Mutagénesis dirigida del ARN): • Si bien el splicing alternativo es la forma mejor estudiada

y más habitual de regulación de la expresión genética a nivel de  procesamiento del ARN, no es la única. La mutación puntual de una base en el ARNnh o en el ARNm, puede alterar el producto. Esto no constituye un error sino que es una herramienta utilizada por la célula para lograr una determinada proteína.  En el ser humano este es el caso de las apoproteínas B100 y B48. Ambas son codificadas por el mismo gen y contienen en el ARNnh los mismos exones e intrones. Cuando el gen se expresa en el hepatocito, el ARNnh no sufre ningún tipo de modificación y el RNAm procesado se traduce en ApoB100. En cambio, cuando el gen se expresa en el enterocito se produce una mutación puntual que convierte C por U en el ARNm configurando un codón de terminación que codifica para la ApoB48.

4)- CONTROL TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA4)- CONTROL TRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA• Se puede regular la velocidad con que los mensajeros son traducidos y el

número de veces que debe traducirse.  • CONTROL GENERAL DE LA TRADUCCIÓN: Todos los ARNm celulares

tienen cap con la guanosina metilada y esa estructura aumenta la traducción. Cuando por alguna razón de disposición espacial del extremo 5’ del ARN el cap no queda disponible para su interacción el factor de iniciación Ife4E la traducción disminuye. Puede controlarse también la actividad de los factores de iniciación: IFe2B, IFe3, IFe4B e IFe4F. La actividad de estos factores se controla por fosforilación.

• CONTROL PARTICULAR DE LA TRADUCCIÓN : Depende de sustancias reguladoras que modifican la configuración de un tramo de nucleótidos no traducibles localizados en el extremo 5’ entre el cap y el codón de iniciación.

• Un ejemplo de este tipo de regulación lo proporciona la traducción del mensajero de la Ferritina que se une al hierro para su depósito intracelular. Cuando las concentraciones citosólicas de hierro aumentan la síntesis de ferritina se produce a altas velocidades, el hierro se liga a la aconitasa o IRF. En cambio, cuando estas concentraciones disminuyen la IRF queda libre y se liga al ARNm de la ferritina formando un bucle en el extremo 5’ que impide el ligado de IFe4F y con ello el ensamblaje del aparato de traducción, bloqueando de esta manera la producción innecesaria de proteína.

5)- CONTROL POSTRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA5)- CONTROL POSTRADUCCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA

Entre las modificaciones más importantes:• La unión de grupos prostéticos• La modificación de ciertos aminoácidos

mediante fosforilaciones, metilaciones etc..• La eliminación de uno o más aminoácidos del

extremo aminoterminal• La eliminación de segmentos de aminoácidos

internos.• La formación de puentes disulfuro que ayudan

al plegamiento.• La asociación con otras cadenas polipeptídicas,

que definen la estructura cuaternaria de la proteína funcional.

Mecanismo de actuación hormonalHormonas peptídicas

Mecanismo de actuación hormonalHormonas esteroideas