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

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS (EXPRESIÓN GÉNICA) ANTECEDENTES PAU: 2002 – Junio : traducción, etapas y explicación;

código gené;co;

2004 – Junio : transcripción y traducción, definición; 2004 – Sep;embre : transcripción y traducción, iden;ficación en esquema y explicación; 2005 – Sep;embre : código gené;co, definición y caracterís;cas;

reparación del ADN, cómo se produce;

2006 – Junio : transcripción y traducción, definición y localización intracelular;

ARN, ;pos y función en la síntesis de proteínas;



formación de ADN a par;r de ARN;

2008 – Sep;embre : código gené;co, caracterís;cas; 2011 – Junio : iden;ficación 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

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

TRANSCRIPCIÓN REPLICACIÓN

PROTEÍNA

ARNm

NÚCLEO

TRADUCCIÓN RIBOSOMAS

Este esquema fue considerado durante muchos años el

“dogma central de la biología molecular”

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.

REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Transcripción ARN

ADN

Traducción

Transcripción inversa Replicación

PROTEÍNAS

Replicación

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

RESUMIENDO… •  •  •  •  • 

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

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 • ARN polimerasa I ARNr

ENZIMAS ! ARN -POLIMERASAS En eucariotas

• ARN polimerasa II ARNm • ARN polimerasa III

RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U

# FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :

ARNt y ARNr

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

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

ARNpolimerasa

T

A

C

G

A

U

G C

A

A

C

C

G

T

T

G

C

A

U U

G

G C

A

A

C

G

U

C G

A

T

C

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

ARNpolimerasa

m-GTP

T

A

A

U

C

G

A

A

G C

U

U

C

C

G

T

T

G

C

A

G G C

A

A

C

G

U

C G

A

T

C

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

Poli A-polimerasa

m-GTP

A

U

G C

U

C

G

U

G

U

A

ARNm precursor

TRANSCRITO PRIMARIO

MADURACIÓN

G

A

A

A

A

A

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS ARN -polimerasa

Punto de inicio

Región a transcribir

ADN

Centro promotor

La ARN-polimerasa se une al centro promotor y comienza la transcripción.

Continúa la transcripción del gen

Final de la transcripción Señal de corte (AAUAA)

Caperuza Procesos pos-transcripcionales

ARNm inmaduro Punto de corte

La polimerasa sigue transcribiendo un tiempo y después se para.

Degradación del ARN sobrante

Caperuza

Poli-A Poli-A polimerasa ARN mensajero para traducir

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 mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones.

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

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 precursor

cola

Cabeza AUG

AAAAAA UAG

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

Maduración del ARNm (Visión de conjunto). Región codificadora del gen

ADN Promotor

E1

I1

E2

I2

TAC

ATC

Cabeza E1 ARNm precursor

ARNm maduro

E3

I1

E2

I2

E3

cola AAAAAA

AUG

UAG

Cabeza

cola 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

Donde se une el Por donde se une al

SUBUNIDAD PEQUEÑA

Tienen tres lugares

SITIO P SITIO E

AMINOACIL-ARNt -SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO ANTICODÓN

Donde se sitúa el

SITIO A

ARN DE TRANSFERENCIA

Como la

Donde se unen los

SUBUNIDAD GRANDE

ENZIMAS Y ENERGÍA

ARNt con el aa POLIPÉPTIDO ARNt

Donde se une el

EXTREMO 3’

Tiene dos zonas

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 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).

Subunidad menor del ribosoma

P

5’

A

AAAAAAAAAAA 3’

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 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).

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 (peptidil) del ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la entrada del complejo ARNt-aa3

P

A

ARNm

5’

AU G CAA U G C U UA C GA UAG GUU

AAAAAAAAAAA

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-CysGlu-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.

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 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

Proteína en formación

POLIRRIBOSOMAS 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

9.- RESUMEN y ACTIVIDADES REPLICACIÓN Moléculas que intervienen Moléculas resultantes Lugar de la célula donde se produce Momento del ciclo celular en el cual tiene lugar Función biológica

Particularidades en procariotas

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN