Story Transcript
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
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
-.1ª Evidencia.Experiencia de Griffith (1928) -.2ª Evidencia.Experiencia de Avery, McLeod y McCarthy (1944) -.3ª Evidencia.Experiencia de Hershey y Chase (1952)
2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
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. G. Beadle y E. Tatum 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
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA,
pero… ¿Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS?
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)
3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
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 ARNt
ADN
ARNm
TRANSCRIPCIÓN REPLICACIÓN
NÚCLEO
PROTEÍNA TRADUCCIÓN RIBOSOMAS
Este esquema fue considerado durante muchos años el
“ dog ma centra l de la biolog ía molecula r”
Tema 15: DEL ADN A LAS 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, como algunos virus.
REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Transcripción ARN
ADN
Traducción
Transcripción inversa Replicación
PROTEÍNAS
Replicación
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
PROCARIOTAS
EUCARIOTAS
4.- TRANSCRIPCIÓN
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
La síntesis de ARN o transcripción necesita: CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE ENZIMAS ARN -POLIMERASAS En eucariotas
• ARN polimerasa I
ARNr
• ARN polimerasa II
ARNm
• ARN polimerasa III
ARNt y ARNr
RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U
FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :
1.- INICIACIÓN: ARN-polimerasa reconoce el ADN y abre la doble hélice 2.- ELONGACIÓN : la ARN-polimerasa lee el ADN molde y sintetiza el ARNm 3.- 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
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
La transcripción: Síntesis de ARNm
5’
3’
ARN polimerasa
5’
3’
A U G U G C T A C A C G
G C
G C U C G A
G C C G
ARN ADN
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
INICIACIÓN. ARN-polimerasa reconoce el CENTRO PROMOTOR secuencia corta de bases nitrogenadas que indica el inicio y qué cadena de ADN será la molde ARN-polimerasa abre una pequeña región de la doble hélice de ADN
ARNpolimerasa
T
A
C
G
A
A
C
C
G
T
T
G
C
A
C
A
U
G
C
U U G
G
C
A
A
C
G
U
G
A
T
C
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
ELONGACIÓN. ARN-polimerasa lee la hebra molde 3’ 5’ y sintetiza el ARN en 5’ 3’ Selecciona el ribonucleótido cuya base es complementaria al ADN molde y lo une mediante enlaces éster EUCARIOTAS: en el extremo 5’ se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-guanosín-fosfato, necesaria para la traducción ARNpolimerasa
m-GTP
T
A
C
G
A
A
C
C
G
T
T
G
C
A
C
A
U
G
C
U
U
G G
C
A
A
C
G
U
G
A
T
C
TERMINACIÓN. ARN-polimerasa reconoce en el ADN una señal de terminación. PROCARIOTAS: La señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica (se lee igual de izqdcha que de dchaizq) formada por G y C seguida de varias T que forma al final de ARN un bucle EUCARIOTAS: La señal de terminación es la señal de poliadenilación (AAUAAA)
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
5.- MADURACIÓN DEL ARN ORGANISMOS PROCARIONTES
Transcrito primario
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.
ARNasa
ARNt
ORGANISMOS EUCARIONTES Intrón Exón
Exón
RNPpn Bucle
Exón
Intrón Bucle Punto de unión entre exones
ARNr
El ARN transcrito primario sufre un proceso de “corte y empalme” por la ribonucleoproteína pequeña nucleolar (RNPpn) llamado splicing. Se eliminan los intrones y se unen los exones.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
MADURACIÓN en Eucariotas:
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
ARNm maduro precursor
cola
Cabeza
AAAAAA AUG
UAG
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
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.
UAA UAG
UGA
AUG
Iniciación Terminación
Ej. ¿Qué aminoácido está codificado por el codón GAC? ¿y si fuese GAG?
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO UNIVERSAL
DEGENERADO
• Compartido por todos los organismos conocidos incluso los virus.
• A excepción de la metionina y el triptófano, un aminoácido está codificado por más de un codón.
• El código ha tenido un solo origen evolutivo.
• Esto es una ventaja ante las mutaciones.
• Existen excepciones en las mitocondrias y algunos protozoos.
CARECE DE SOLAPAMIENTO
SIN IMPERFECCIÓN
• Los tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas
• Cada codón solo codifica a un aminoácido.
Posibilidad de solapamiento Met
Gli
Tre
His
Ala
Met Codones de iniciación
Fen
Leu
Ala
Leu
Solapamiento
Pro
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS necesita
RIBOSOMAS Formados por
AMINOÁCIDOS
ARN MENSAJERO
ARN DE TRANSFERENCIA
Como la
Donde se unen los
SUBUNIDAD GRANDE
ENZIMAS Y ENERGÍA
Donde se une el
Por donde se une al
SUBUNIDAD PEQUEÑA
AMINOACIL-ARNt -SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO
SITIO A Tienen tres lugares
SITIO P SITIO E
Donde se sitúa el
ANTICODÓN ARNt con el aa POLIPÉPTIDO ARNt
Donde se une el
EXTREMO 3’
Tiene dos zonas
activación del aminoácido
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
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.
+
Aminoacil ARNt -sintetasa
+
Aminoácido Ácido aminoaciladenílico
+
ARNtx La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt
Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas
Aminoácil -ARNtx
Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG. Se les une el ARNt La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta la metionina (Met). Subunidad menor del ribosoma
P
A AAAAAAAAAAA 3’
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG UAC
Anticodón
Codón
ARNt
1er aminoácido
ARNm
Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor. El complejo ARNt-aminoácido2 , 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).
Subunidad menor del ribosoma
P
A
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG UAC GUU
AAAAAAAAAAA 3’
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).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG UAC GUU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera.
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GUU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación IV: El ARNm se traslada, de tal manera que el complejo ARNt-Gln-Met queda en la región P del ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la entrada del complejo ARNt-aa3
P
A
ARNm AAAAAAAAAAA
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GUU
3’
Elongación V: Entrada en la posición correspondiente a la región aminoacil (A) del complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GUU ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GUU ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina (Glu).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARNt3-Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma.
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la leucina.
P
A
ARNm
AAAAAAAAAAA 3’
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG ACG AAU
Leu
Elongación X: Este se sitúa en la región aminoacil (A).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG AC G AAU
AAAAAAAAAAA 3’
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
ARNm
P
A
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG AAU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg).
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG AAU GCU
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)
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GCU
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian hasta nueva síntesis y se separan del ARNm.
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG GCU
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma.
ARNm AAAAAAAAAAA 3’
5’
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.
iniciación y elongación
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
INICIACIÓN E
P
A
Codón iniciador (AUG)
Posición E
ARNm
Posición P
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.
ARNt - Met Subunidad grande
Finalmente se une la subunidad grande del ribosoma.
Posición A
ELONGACIÓN
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. Desplazamiento del ribosoma
5’
3’
Enlace peptídico El aminoácido se libera del ARNt
Aminoacil -ARNt
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
terminación TERMINACIÓN
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. Codón de terminación (UAA, UGA, UAG) ARNm
Separación de las dos subunidades del ribosoma
ARNm
ARNt
Porción final de la cadena proteica
Factor de liberación
POLIRRIBOSOMAS
Proteína en formación
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
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
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. ARN-pol
EL OPERÓN LACTOSA
Promotor Operador
Genes estructurales
Gen regulador
Inductor (alolactosa) Complejo inactivo represor-inductor
Represor activo Promotor Operador ADN Transcripción bloqueada La ARN-pol no puede unirse al ADN
Transcripción desbloqueada
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
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 Unión del complejo activador de la transcripción. Proteína receptora del citoplasma
al ADN celular Transcripción
Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio
Complejo hormona-receptor
ARNm
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS (EXPRESIÓN GÉNICA) ANTECEDENTES PAU: 2002 – Junio : traducción, etapas y explicación; código genético; 2004 – Junio : transcripción y traducción, definición; 2004 – Septiembre : transcripción y traducción, identificación en esquema y explicación; 2005 – Septiembre : código genético, definición y características; reparación del ADN, cómo se produce; 2006 – Junio : transcripción y traducción, definición y localización intracelular; ARN, tipos y función en la síntesis de proteínas; formación de ADN a partir de ARN; 2008 – Septiembre : código genético, características; 2011 – Junio : identificación de la traducción en Eucariotas;
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.
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
-.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
-.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