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Información en los seres vivos
• El fenotipo se correlaciona con el genotipo• Dogma central: ADN - ARN - proteínas - rasgos• Estable y transmisible
– Puede ser copiada y diseminada• Capacidad de modificación
– Mutación– Recombinación – Sexo (intercambio de material genético)
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Del genotipo al fenotipo
Material genético (ADN) Genes
Proteínas Estructura molecular
Función
AnimalesHongos
Bacterias
Plantas
Rasgos
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Almacenamiento de la información genética: estructura del ADN
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Estructura del genoma de los organismos procariotas
• Contienen un único cromosoma de estructura circular• Básicamente ADN desnudo• Mayoría de la secuencia de ADN compuesta por genes
E. coli- 4.6 Mb ~87% --- 4288 genes
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• Material genético almacenado en el núcleo• Organizado de forma compleja en varios
cromosomas de estructura linear • ADN asociados a proteínas (histonas y no histonas):
fibras de cromatina
Estructura del genoma de los organismos eucariotas
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En los eucariotas la información genética se reparte en un nº variable
de cromosomas
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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
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Replicación del ADN
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O
El ADN se replica en dirección 5’ – 3’
Extremo 5’
Extremo ·3’
O
OO
OH
OH
P
P
PPP
P
P
P
P
A T
T A
GC
C
OH
Extremo 5’
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Replicación del ADN
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• Video replicación del ADN
• http://www.youtube.com/watch?v=zmu9OPuXj-k&feature=related
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El ADN contiene la información para producir las proteínas de un
organismo
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Naturaleza química de las proteínas
• La unidad básica de la proteína es el aminoácido, existen 20 aminoácidos distintos
• Los aminoácidos están unidos covalentemente mediante enlaces formando cadenas (polipéptidos)
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Proteínas
• Las proteínas son la clase más versátil de macromoléculas en la célula
• Existen 20 amino ácidos diferentes que forman parte de las proteínas
• Gran variedad de características químicas • Pueden sufrir muchas modificaciones
bioquímicas que alteran o regulan su función• Llevan a cabo la mayoría de las funciones
celulares
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Niveles de organización de las proteínas
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Flujo de la información genética para generar proteínas
• ADN • Código de 4 letras• Largas moléculas con
miles de genes
• Proteína• Código de 20 letras• Moléculas de tamaño
discreto
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(RT) TRANSCRIPCIÓN
TRADUCCIÓN
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Estructura los genes eucariotas
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Transcrito
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El “splicing” tiene lugar en el “spliceosome”
http://www.youtube.com/watch?v=FVuAwBGw_pQ
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Transcripción
• Proceso complejo que implica varios pasos
• La ARN polimerasa sintetiza un molécula de ARN monocatenario usando
como molde la secuencia de una de las cadenas de ADN
• El inicio de la transcripción está regulado por factores de transcripción
que reconocen secuencias normalmente situadas justo antes del punto
de inicio de la transcripción (extremo 5’)
• Existen secuencias que indican el final de la transcripción, al ARN recién
sintetizado se le añade una secuencia de adeninas, la denominada cola
poli A
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(RT) TRANSCRIPCIÓN
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• Video síntesis de proteínas
• http://www.youtube.com/watch?v=FNqmh4PoMPQ
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Flujo de información, de la secuencia geníca a la proteína
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Regulación del flujo de la información genética
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
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Splicing alternativo
• Hace referencia a variaciones en la forma de combinar exones que generan diversas formas de una proteína
• El splicing alternativo de pre-ARNm es un importante mecanismo de regulación de la expresión de genes en eucariotas superiores. Regulación cualitativa
• Explica por ejemplo la existencia de aproximadamente 1.000.000 de anticuerpos diferentes en humanos a pesar de que el genoma humano contiene únicamente unos 30.000 genes
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Fig 24.4 Alternate splicing of transcripts from the rat troponin T gene.
“Splicing alternativo”
Result in slightly different action of muscle
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Fig 24.5 Alternate splicing of transcripts from the Sex-lethal gene in male and female Drosophila.
Genes expressed that lead to female development
Genes expressed that lead to male development
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Bioinformática
• Las nuevas tecnologías de secuenciación permiten secuenciar el genoma completo de un organismo
• Se está generando una enorme cantidad de datos
• ¿Cómo analizar todos estos datos?– Bioinformática
• Fusión de las ciencias de la computación con la ciencia genómica
• Desarrollo de nuevas herramientas para analizar datos
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• Contig 190 25703 - 32806 • atgctctttaccatgcaattcaccactcgatccaccgtggcctcgcccgagcagcagcaccaacaccaacagcgcagtatctcgtactcggatatcgaacttggtcttgagcgcatcagctctcgcgacagcaatggcagct
ccaactttacgcacagagcctatcctccaccgctatctcagcaatatgacgacacatccaccaactcctttcattcatcgcagccagacatcacagcctcttcttcaactttgtcgtctcgcctcgtgagcgccaactactcccgtcctcggttcgagcatgcgcacactcaaccacccacacccgaccaagaccgctccagctccggctccggctccggctccggctctcgctcctactttcccgccaactcgcattccgactctttgcccggtcccagcactcatagcatcagcccttcctttgacgaggacgaactccgtcagatcatgtcgcacattccagctaaccaagccacgtccagctcggatggcgatgtaggcaaggccgtccagtctgccaaccatcaggacatcagtccgttcctcttccagagcgagaacgcagctcccttttcctcctcccactccaaccgtaccagtgtcaatccatccgcagcctcgaccgccagcccgtcgacttcggcggcaaccaggacacgtccgcgcgggggcaccaacgcctcgcagtacaacaccctagacactagcttcggtagcatcgatcggcctggcctttcttcttcccgctctcagtattcattgcgcccacagaccccaccctcggcgtccacttccactagcactctcaacggctccaaggacacgcacgcttctgccgtcaagaagacgcgcaatccgttcggctttctcaaaaagaagtcctcggcccactcaaatgcttcctcgaatcaccccacgcgccacgacatcggctcggtctcttcgctctcgtcgcgctacggtcccaacgcggcggccaacgtcaatccgatgcgcccacctgcctggctcgataatcactgcacacttgccaactccaactcgccttcttcggcttcgctgcgctctcactaccaccagcctcctgcctcttcgaatccccctccttggcagaaccccctcgtgtctcgtgcagactcgactccttccgccatgagtctcgaagatgaggtcgaggctgagcatcatctcaagaaggaccctcgcaagcgcatcaaaggcgttcgccatcaccttgcaaagaccaccaagcccggcgaggacgccgactcggcacgcgaccctgcctttgcagcccagagccagtccatcgaacaagaggtcgaactctcgttggacatgaactttgaccagctcgatgactttgtcgacaccaacgcagcgcgccagcggctccagggctcgatcactgagtctgccagtccttccgagcatcgctcaccaaacggaagcgaagccggcgtgtatcgctcgccatccccttcccagactcccattgccgaacgccagacttcggtcacttctaccgtcgaatctccctcgcacgcctcggaagcctcgctcgcaccctcgggctctctgcgaaccccgagtcgcactactgcgtctacctctacctcgtccgcttccaccgtactcagcgaccgtcttccttcgcaggtcaacatgcttcctcgcaatagcgtccccaggctcagcctagccgagatgcaaaactaccagtcgctccgtaaactctcgaacaacctcatcgacatgtcccagacgcaaaacccttccgctatgggcgcatcctaccgccgcggatccatcgcagccgcccaagcacctgtcgacgcgcctcagctaggtgtcgctcctcgtactgactctgagctctccgatcgcaaggacagcgtagtctctacccacagcatgcgctccaaccatagcggcatctcgcccaagacctcatacgccaacctgcccagtgtcattcaggagcgtcagaagccggctactgcacttccctccgccgcgaattggacatcatccatcaccagagacaaaacggccaatggacatgctgaccacgcctaccaatttccgcccgcaactgagtatcagtccaacttgctgctcagcgtgcgcaagtcgagtgccagctcggggcaggagcctagctccagctggatggctcccgacagttgggccgtacaaccggacaagatgcgcgactatcttcgcgacgataatgtcggcgaggaggaagacgacgacgacgaccagcaccaagccagagccgctttggccaccgatggcaagaggcgcggttccagctccggtatcagctcgacgcatgcatcgagcatgttccgcacctcatccaccgaccctttcaagaagactgcctcgcttgctggctcacgtcgcggcacggacgactcggtcgatccgctcaccgctttgcctccattgccaggctccaagtcggtggacgaggcagcagccaacaaggtcgatgtactccagcagaccaataatctcgctcaatcggctctggtgcaacagcagtctcaatcccagaaccaccaccagcccagccccaacgtccgtcccacctcgagaggcggtgctggtgcccacatgtttgcctccgccggcgcttccgctgcagcagctgctgcgggcaagcttggtttacatcgtccatctaaacatcgtatgaacgcgcgacccaataccgcaggctccgttggtgcgacccgaccttccaccaccacgctcggctcgaccctctcggcagaggacgacacaagcatcaacggctccatccgacgcgacggccatccgctcaagcgctccgcaactgccaacacgaacaacgccacgggaactttgcctcgcaaccacttcatccgcgtctacaagacggacggcacctttgcaacgctctcgtgctcactcgtctcgacggcaaacgaagtacagacaatcctcgcgcgcaagagcctcaccaccgaatcggccgcatacaggctttttgtgcgggacaagggctccgagagaccgctggggatctcggacaagccttctcagctccagcgtcgtcgtctcattcaggcaggctacaccgagaacgatggcttggaagatatgggcagagacgatttgtcatacctgcttcgcttcgtctttcgccccgacagtgttcccaccttcgactcggaatccatcggccacagcgagcacacattccagcatctcgatctgcacagccgcaatctcgaaatggtgcccatctttctgtataagcatgccgactggattgttagcctcgatctgtcaggcaatcccatgtctgatcttccgctcgactttgtacagctctgttcaagcctgcgaactctgcgactctcaaacttggcgctcaagcgcatcccgcaaagtgtccggcacagcgaaaccttgacgcacctcgacgtatccaacaatcgaattgtcgagctcgcgcatgtcagtctcgatcttattccggagctcatgtcgctcaaggtgcaaaacaatcgtctctttgacttgccctcatacttttccagcatcagcacgctgaggaacctcaacatctctaacaaccgctttgaagaattccccaaggtcatctgcgacgtcccttcgctggtcgatcttgatgtgtcattcaattcgatcactgaattgcccgccgaaatcgccaacctcatcaacttagagcgcttcatcctagccggcaacgagctggaaaagctgccggacagcatgagcgagctcgtcagcttgcgcaccatcgacctgcgtcgtaacaaggtgcaggacgtttcgtcgctgcttggtcttccacgccttcaaaacatccaggccgagagcaacaacatcaagtcgtttgaagctacactgggtccgcaactcactcaggtcgagctcggtcgcaacccactcagcaaggtgcgcatcgctgctctcaccacgtgcgatctcacctcgctcgacctgtcgtcgaccaacatgacgcggctcgaggaaggtctcttcccgcagctgcctgcgctcgtcaagctgacgctcgatggcaatcagctcgttgtgctgcccgacacgctcggagacttgaagcgactcgagatgctatcatgcagcaacaatctgcttgctaccctccccgagtcgatcggtgatctcaaggcgctcaaggagctgcttgtgcacaacaacaacctcaaaacgcttccacagaccttgtggctctgcgagagcctcgcacacatcaatctcagctccaacttgctcgaatcgttcccagcagtgcctgacattcgcaccgatgcttccgttggagatgcggctgcagctgccggcacttcggccgttatcgctgcacgaaagggatctacaagctcgtcgctgacgcacaggtctaacactggtggcgccaatgggaacatcaatctctctacgccctccgaggtctttgtggcgccgctctcgctcagcctgcagaagctgcgtctgggagacaatcgtctaggcgatgacgttttcagtgtcctgtccgagctcacctcgctcgaggtgctcaacctcagcttcaacgagatctttgagattcccgattttagtctccagacgctcaccaagctgcgtgagctatacatcagtggtaatcagcttagcacgattccttccgacgatcttgtggtgctacaagagctgcgcatcctccacctcaactgcaacaagctcactactctccccaccgaacttggcaagctcaagaagctcgccaacctggatgtcggtaataacgtgctcaagtacaacattgccaattggcattacgactggaactggaacatgaacccggagctacgctacctcaacctttccggcaacacgcgtctcgagatcaagaccaagctgagcgatatgggcttcacgcgcaagtccaacatctcggacttcagccgcttaaccagcttgcgcatgctgggtctcatggatgtcacaatgccattgcattcaaatgccacgccggatgagtcggacaaccgccgtgtgcgaacctcgctctcgcaggtcaacggaatggcttacggaatcgcc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Terminología
• Genoma: conjunto de ADN de un organismo • Transcriptoma: población total de ARNm en una condición
determinada • Proteoma: población total de proteínas en una condición
determinada• Interactoma: descripción de todas las interacciones que tienen
lugar entre moléculas • Metaboloma: descripción de todos los reactivos/productos/enzimas
implicados en metabolismo• ORFeoma/predictoma: descripción de todas las proteínas
potenciales codificadas por el genoma. Genoma anotado
• Secretoma: descripción de todas las proteínas secretadas codificadas por el genoma
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© 2003 John Wiley and Sons Publishers
Fig 21.17 Annotated, sequence-based map of an 8-mb segment of DNA at the
tip of human chromosome 1.
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Fig 15.18 A single gene may produce a family of closely related polypeptides by using alternate pathways of exon splicing.
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Genomas bacterianos
• Un gran número de genomas bacterianos secuenciados – Mycoplasma genitalium – 580,070 bases– Mycobacterium tuberculosis- 4.4 Mb– E. coli- 4.6 Mb
• ~87% --- 4288 genes– ~30% bien caracterizado
– ~38% función desconocida
– Espacio promedio entre genes – 118 bp
• 0.7% elementos repetitivos no codificantes• ~11% elementos reguladores o de función desconocida
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Genoma de levadura
Sacchromyces cerevisae – 16 cromosomas – 12 Mb– 5885 genes codificantes de proteínas (1 gene/~2100 bp)– 140 genes ARNr – 275 genes ARNt – 40 genes ARNsn– Principal diferencia con procariotas
• Redundancia genética– Múltiples copias de genes y secuencias no codificantes
– Útil para estudair evolución de secuencias
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Genoma de C. elegans
• Primer organismo multicelular secuenciado• 97 Mb
– Relativamente poca cantidad de ADN repetitivo
– 19,099 genes (1 gene/~5100 bp)• Mismo # de proteínas que llevan a cabo funciones
básicas de la célula• Muchos genes específicios de organismo
multicelulares– Señalización intercelular
• 43% similitud con proteínas humanas
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Genoma de Drosophila melanogaster
• 180 Mb – ~30% heterocromatina centromérica – 97% de eucromatina secuenciada– 13.601 genes– # de genes de copia única similar al de C.
elegans– Contiene ~180 genes similares a 290 human
genes humanos implicados en enfermedades• Drosophila un buen modelo para estudiar
enfermedades
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Genoma de Arabidopsis thaliana
• 125 Mb baja cantidad de elementos repetitivos
• ~26,000 genes– 70% se encuentran duplicados o forman parte
de familias de genes – ~15,000 genes claramente diferenciados
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Proyecto Genoma Humano
• 2.95 Gb de 3.2 Gb es eucromatina– >90% de eucromatina secuenciada– ~1% de secuencias codifican proteínas
• Se predicen entre 30.000 y 35,000 genes # poco elevado:
• Levaduras - 6,000 genes• Drosophila - 13,000 genes• C. elegans - 19,000 genes• A. thaliana - 26,000 genes
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Genes en genoma humano
• Exones 1.1 %• Intrones ~24%• Regiones intergénicas 74%
• Tamaño promedio de genes – ~7 kb• Número promedio de intrones - 10• Solo 94 de 1.278 familias de proteínas son
específicas de vertebrados– Genes implicados en procesos bioquímicos básicos
parece que evolucionaron solo una vez y se han mantenido de bacterias a levaduras y a mamíferos
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Genoma humano
• 60% de proteínas predecidas son similares a otras secuencias
• Principales diferencias con gusanos/moscas– Complejidad de las proteínasComplexity of
proteins• Más dominios/proteína y nuevas combinaciones
de dominios• Aparición de nuevas funciones en dominios ya
existentes
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Fig 21.19 Pie chart showing homology of predicted human proteins to proteins of other species for those
where homologues were detected by computer searches of the public databases.
© 2003 John Wiley and Sons Publishers
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Fig 21.18 Functional classification of the 26,383 genes predicted by Celera Genomics’ first draft of the
sequence of the human genome.© 2003 John Wiley and Sons Publishers