Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS (EXPRESIÓN GÉNICA)

Transcripción

1 Tema 15: DEL ADN A LAS (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 8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

2 1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO Tema 15: DEL ADN A LAS -.1ª Evidencia.- Experiencia de Griffith (1928) -.2ª Evidencia.- Experiencia de Avery, McLeod y McCarthy (1944) -.3ª Evidencia.- Experiencia de Hershey y Chase (1952)

3 2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA Tema 15: DEL ADN A LAS 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

4 A) PROCARIOTAS: 1 solo cromosoma circular Genes continuos (no existen zonas sin información) Tema 15: DEL ADN A LAS La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA, pero Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS? 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)

5 3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA Tema 15: DEL ADN A LAS 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 ARN t ADN ARN m PROTEÍNA REPLICACIÓN TRANSCRIPCIÓN NÚCLEO TRADUCCIÓN RIBOSOMAS Este esquema fue considerado durante muchos años el dogma central de la biología molecular

6 Tema 15: DEL ADN A LAS 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 ADN Replicación Transcripción inversa ARN Replicación Traducción

7 Tema 15: DEL ADN A LAS PROCARIOTAS EUCARIOTAS

8 4.- TRANSCRIPCIÓN Tema 15: DEL ADN A LAS 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 RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U ARN polimerasa III ARNt y ARNr 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

9 Tema 15: DEL ADN A LAS La transcripción: Síntesis de ARNm 5 ARN polimerasa 3 3 A U G U G C G G C U G C T A C A C G C C G A C G 5 ARN ADN

10 Tema 15: DEL ADN A LAS 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 T C A U G C U U G G C A A C G U G

11 Tema 15: DEL ADN A LAS 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 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

12 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 izq dcha que de dcha izq) 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

13 5.- MADURACIÓN DEL ARN ORGANISMOS PROCARIONTES Los ARNm no sufren proceso de maduración Tema 15: DEL ADN A LAS Transcrito primario Los ARNt y ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene muchas copias del ARNt y ARNr. ARNasa ORGANISMOS EUCARIONTES Intrón Exón Intrón Exón Bucle RNPpn Punto de unión entre exones Exón Bucle ARNt 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.

14 Tema 15: DEL ADN A LAS 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 precursor maduro Cabeza AUG UAG cola AAAAAA

15 Tema 15: DEL ADN A LAS

16 6.- EL CÓDIGO GENÉTICO Tema 15: DEL ADN A LAS Es el diccionario que traduce el la secuencia de bases del ARN aminoácidos Incluye 64 tripletes posibles (4 bases organizadas de 3 en 3: 4 3 = 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?

17 CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO Tema 15: DEL ADN A LAS 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. SIN IMPERFECCIÓN Cada codón solo codifica a un aminoácido. DEGENERADO A excepción de la metionina y el triptófano, un aminoácido está codificado por más de un codón. Esto es una ventaja ante las mutaciones. CARECE DE SOLAPAMIENTO Los tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas Posibilidad de solapamiento Met Gli Tre His Ala Fen Ala Codones de iniciación Met Leu Leu Pro Solapamiento

18 7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE Tema 15: DEL ADN A LAS LA SÍNTESIS DE necesita RIBOSOMAS AMINOÁCIDOS ARN MENSAJERO ENZIMAS Y ENERGÍA ARN DE TRANSFERENCIA Formados por Tienen tres lugares SUBUNIDAD GRANDE SUBUNIDAD PEQUEÑA Donde se unen los SITIO A SITIO P SITIO E Donde se sitúa el Donde se une el ARNt con el aa POLIPÉPTIDO ARNt Por donde se une al Como la AMINOACIL-ARNt -SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO Donde se une el ANTICODÓN EXTREMO 3 Tiene dos zonas

19 activación del aminoácido Tema 15: DEL ADN A LAS 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 + ARNt x 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 -ARNt x

20 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 5 AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U A C U G C U U A C G A U A G Codón Anticodón ARNt ARNm 1er aminoácido

21 Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor. El complejo ARNt-aminoácido 2, 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 5 P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U A C G U U U G C U U A C G A U A G

22 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 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U A C G U U U G C U U A C G A U A G

23 Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera. 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A C G A U A G

24 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-aa 3 P A ARNm 5 AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A C G A U A G

25 Elongación V: Entrada en la posición correspondiente a la región aminoacil (A) del complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys). 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A C G A U A G A C G

26 Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys). 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A C G A U A G A C G

27 Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina (Glu). 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A C G

28 Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARN t3 -Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma. 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A C G

29 Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la leucina. 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A C G A A U Leu

30 Elongación X: Este se sitúa en la región aminoacil (A). 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A C G A A U

31 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 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A A U

32 Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg). 5 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G A A U G C U

33 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 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G G C U Arg-Leu-Cys-Gln-Met

34 Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian hasta nueva síntesis y se separan del ARNm. 5 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G G C U Arg-Leu-Cys-Gln-Met

35 Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma. 5 ARNm A U G C A A U G C U U A C G A U A G AAAAAAAAAAA 3

36 Polirribosoma o polisoma. Si el ARNm que se tiene que traducir es largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez.

37 iniciación y elongación Tema 15: DEL ADN A LAS INICIACIÓN E P A Codón iniciador (AUG) ARNm Posición E Posición P La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm colocando el codón de iniciación AUG en el sitio P. ARNt - Met Subunidad grande ELONGACIÓN Posición A 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. Desplazamiento del ribosoma 5 3 El aminoácido se libera del ARNt Enlace peptídico Aminoacil -ARNt

38 terminación Tema 15: DEL ADN A LAS 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. ARNm Codón de terminación (UAA, UGA, UAG) ARNm Separación de las dos subunidades del ribosoma ARNt Porción final de la cadena proteica POLIRRIBOSOMAS Factor de liberación Proteína en formación ARNm 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

39 8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Tema 15: DEL ADN A LAS 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 Promotor Operador Genes estructurales Promotor ADN EL OPERÓN LACTOSA Inductor (alolactosa) Represor activo Operador Transcripción bloqueada La ARN-pol no puede unirse al ADN Gen regulador Complejo inactivo represor-inductor 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.

40 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. Proteína receptora del citoplasma Unión del complejo al ADN celular Tema 15: DEL ADN A LAS Transcripción Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio Complejo hormona-receptor ARNm

41 Tema 15: DEL ADN A LAS (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;

42 1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO Tema 15: DEL ADN A LAS -.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.

43 Tema 15: DEL ADN A LAS -.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.

44 Tema 15: DEL ADN A LAS -.3ª Evidencia.- Experiencia de Hershey y Chase (1952) Experiencia con bacteriófagos en el que se utilizaron marcajes radiactivos con P 32 (ADN) y S 35 (proteínas) Se tuvo la certeza que el ADN era el portador de la información