Acción y Regulación de los Genes. Cátedra de Genética FAZ - UNT

Transcripción

1 Acción y Regulación de los Genes

2 Concepto de Gen. Contenidos a desarrollar Dogma Central de la Biología Molecular. Expresión de la acción génica en los procesos metabólicos: Postulados de Garrod. El Código genético. Replicación del ADN. La Transcripción: el ARN mensajero. Concepto de cistrón, exones e intrones. La Traducción: el ARN ribosómico. Ribosomas y polisomas. El ARN de transferencia. Regulación génica en Procariotes: inducción y represión. Regulación en Eucariotes.

3 Todos los seres vivos sintetizan proteínas y es función del material genético de controlar los tipos y cantidades de proteína que sintetiza cada célula. La secuencia de los aminoácidos en la proteína está determinada por la secuencia de los nucleótidos del ADN o del ARN

4 Concepto de Gen: Secuencia de nucleótidos en el ADN que codifica un polipéptido o una molécula de ARN También se lo define como la unidad hereditaria, es decir la unidad genética más pequeña.

5 Los Genes Actúan o se expresan formando una proteína. Controlan los procesos bioquímicos de las células El dogma central de Cátedra la de Genética biología FAZ - UNT molecular

6 El dogma central de la biología molecular: (otro esquema)

7 Desde el punto de vista de la Biología Molecular: ADN se Replica para mantener la información genética a través de las generaciones. se Trancribe en ARN se Traduce en Proteínas para expresarse. ADN ARN Proteínas replica transcribe traduce

8 Según el mensaje GENES ESTRUCTURALES Codifican para Proteínas o para ARN GENES REGULADORES Controlan la Expresión de los genes estructurales. Se transcriben en ARNm y se traducen en proteínas que activan o inhiben la transcripción de otros genes.

9 Síntesis de Proteínas (esquema)

10 Síntesis de Proteínas (otro esquema)

11 Archibald Garrod : médico inglés ( ) Fue el primer investigador que relaciona genes con proteínas Describió el primer caso conocido de una alteración en un gen que producía una alteración en las enzimas producidas y por lo tanto, una alteración en una ruta metabólica. A este tipo de alteraciones enzimáticas determinadas genéticamente Garrod las denominó "errores congénitos del metabolismo".

12 Sugirió que los genes codifican enzimas que controlan reacciones bioquímicas. Cuando ocurre un defecto en el gen su enzima es insuficiente lo que deriva en trastornos del metabolismo. Estudió diversas enfermedades que se producen por errores del metabolismo de los aminoácidos: fenilalanina y tirosina.

13 Las enfermedades que se producen son conocidas como: Alcaptonuria Fenilcetonuria o Oligifrenia Fenilpirúvica Tirosinosis Cretinismo Bocioso Albinismo.

14 Expresión de la acción génica en los procesos metabólicos (Garrod, 1902) Oligofrenia fenilpirúvica Albinismo

15 Alcaptonuria: se caracteriza por endurecimiento de tejidos cartilaginosos (artritis) orina oscura por presencia de ácido homogentísico. Fenilcetonuria o Oligifrenia Fenilpirúvica: hay alteración mental por acumulación del acido fenilpirúvico (detectado a tiempo pueden evitarse daños irreversibles con una dieta libre de fenilalanina). Tirosinosis: imposibilidad de oxidar el ácido parahidroxifenilpirúvico y degradar normalmente la tirosina. Cretinismo Bocioso: Produce gran retardo mental y físico. Albinismo: incapacidad genética de formar la melanina.

16 Postulados de Garrod: gen A gen B gen C A enz a B enz b C enz c 1. El metabolismo se da por pasos con compuestos intermediarios que se convierten en otros en una secuencia ordenada. 2. Cada uno de estos pasos es controlado por diferentes enzimas y por lo tanto por distintos genes. 3. La falta de una enzima produce el bloqueo de la ruta en un paso y la acumulación de la sustancia anterior a este. X

17 Beadle y Tatum (1941) intrpretando a Garrod Un gen una enzima Un gen una proteína Un gen un polipéptido Por medio de la Transcripción y Traducción un Gen se expresa o actúa formando un Polipéptido

18 Existen Proteínas como la hemoglobina humana donde intervienen varios genes está formada por 4 cadenas polipéptidas 2 cadenas σ (idénticas entre sí) codificadas por un gen localizado en el cromosoma 2 2 cadenas β (también idénticas entre sí) codificadas por otro gen ubicado en el cromosoma 11. Para que la hemoglobina sea funcional deben las 4 cadenas polipeptídicas ensamblarse junto a 4 grupos Hemo (Fe) en cada una de ellas.

19 Molécula de Hemoglobina

20 Cómo se traduce la información genética contenida en el ADN para formar las proteínas? El Código Genético

21 El código genético: Es la forma en la cuál la información genética se almacena en la secuencia de nucleótidos de un gen. Se debe pasar de un lenguaje de 4 palabras a otro de 3 palabras. Se acepta que son combinaciones tomadas de a 3 de las 4 bases nitrogenadas lo que da 64 posibilidades: (4) 3 = 64

22 El lenguaje está formado por 64 palabras de 3 letras TRIPLETE CODÓN ANTICODÓN

23 Triplete: secuencia de tres nucleótidos ubicados en el ADN y que codifican cada aa de una proteina. Codón: secuencia de tres nucleótidos ubicados en el ARN mensajero y que codifican un aa de una proteina. Anticodón: secuencia de tres nucleótidos ubicados en el ARN de transferencia que se aparea con el codón correspondiente del ARN mensajero durante la traducción.

24 Código Genético

25 El Código Genético es Universal, es el mismo para todos los seres vivos y también se dice que es Degenerado, porque varios codones codifican al mismo aa. Existen codones que corresponden a una señal de iniciación del mensaje, especifican el primer aa de una proteina, comúnmente el AUG y que codifica, en muchos casos, a la metionina. Otros codones marcan el final de la traducción, son una señal de terminación o stop, los mas comunes son UAA, UAG, y UGA.

26 La REPLICACIÓN ocurre en el ADN, para ello ambas cadenas se separan totalmente y se copian las dos. La TRANSCRIPCIÓN también ocurre en el ADN, la separación de las cadenas es parcial y solo se transcribe una de ellas, en el lugar del gen a copiar. La transcripción se da por acción de la ARN polimerasa. Se transcriben 3 tipos de ARN: ARN mensajero, ARN de transferencia ARN ribosomal El único que se traduce es el ARN mensajero y es el único inestable.

27 Molécula de ARN

28 ARN mensajero Molécula de ARN que contiene la información genética sobre la secuencia de aminoácidos de una proteína. Procariotes: El ARNm es la copia exacta complementaria del ADN. Eucariotes: el ARNm sufre un proceso de maduración antes de salir del núcleo. EXON: codifican para una proteína INTRÓN: no codifican

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30 ARN ribosómico El ARNr es una molécula de ARN altamente estable y que constituye un componente estructural del ribosoma. Tanto en células procariontes como en las eucariontes, múltiples ribosomas pueden unirse a un único ARNm, generando una estructura conocida como polirribosoma o polisoma

31 ARN de transferencia Son moléculas de bajo PM, constituidas por entre nucleótidos. Si bien, son moléculas monocatenarias hay sectores en los que las bases complementarias se aparean y toman la forma de una hoja de trébol. Su función es transportar a los aa al ribosoma y reconoce los codones del ARNm colocando los aa en el orden adecuado durante la síntesis de proteinas. Se trata de moléculas estables, donde cada

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33 ARN de transferencia (otro esquema)

34 TRANSCRIPCIÓN La expresión génica se logra mediante la transferencia de la información genética del ADN a moléculas de ARN. Esta reacción de polimerización es catalizada por enzimas llamadas ARN polimerasas. El proceso por el que se inicia, alarga y termina la síntesis de moléculas de ARN se denomina TRANSCRIPCIÓN

35 TRANSCRIPCIÓN (1º esquema)

36 TRANSCRIPCIÓN (otro esquema) Se transcriben 3 tipos de ARN: ARNm (5%) ARNt (15%) ARNr (80%)

37 La región o segmento de ADN que codifica una proteína se denomina: CISTRÓN Se lo puede asimilar a Gen PROCARIOTES-- ARNm Policistrónicos EUCARIOTES ---ARNm Monocistrónicos

38 TRADUCCIÓN Es el 2º paso en la síntesis de polipéptidos y ocurre en el citoplasma. Los ribosomas están compuestos por dos subunidades. El ARNm se ubica entre las subunidades del ribosoma. Una sola molécula de ARNm es traducida por varios ribosomas, y de cada uno va saliendo un polipeptido.

39 La Traducción: El Ribosoma

40 Ribosoma

41 Traducción

42 TRADUCCIÓN (otro esquema)

43 Regulación Génica

44 Todas las células de un individuo contienen la misma información genética, sin embargo no la expresan en su totalidad. Las células deben controlar cuál gen debe ser transcripto y cuándo. La regulación puede ser en tres niveles: replicación, transcripción y traducción. La más frecuente es al comienzo de la transcripción. Resulta mas eficiente biológicamente y significa menos gasto de energía.

45 La regulación génica es diferente en células Procariontes de en células Eucariontes. Los Procariotes poseen una única molécula de ADN con la información para diferentes proteínas, cuyos genes se encienden o apagan según el ambiente. Mientras que los Eucariotes son organismos multicelulares, cuyas células, a pesar de poseer la misma información genética, se especializan en tejidos con funciones diferentes.

46 Genes y elementos reguladores Gen: secuencia de ADN que se transcribe a una molécula de ARN y codifica proteínas o ARN. Genes estructurales codifican proteínas que se emplean en el metabolismo o biosíntesis, desempeñan un papel estructural en las células. Genes Reguladores producen proteínas o ARN que afectan la transcripción o traducción.

47 Elementos reguladores secuencias de ADN que no se transcriben pero afectan la expresión de los genes. Gran parte de la regulación génica ocurre por la acción de proteínas producidas por genes reguladores que reconocen y se unen a elementos de regulación.

48 Regulación Génica en Procariotes Operón: segmento de ADN que lleva un grupo de genes estructurales de funciones interrelacionadas, un Promotor y un Operador. Se transcriben juntos, y se comportan como una unidad. Esquema de un Operón PROMOTOR OPERADOR Gen A Gen B Gen C

49 Genes estructurales: Gen A, Gen B, Gen C. Promotor: sitio donde se pega la ARN polimerasa para iniciar la reacción. Operador: son secuencias adicionales, dónde se une el producto del gen regulador. Gen regulador: Regula la transcripción de los genes estructurales. Se transcribe a un corto ARNm que se traduce en una pequeña proteína reguladora, que al unirse al Operador obstruye la transcripción y al removerse la permite. No forma parte del Operón. Operador y Promotor: son sitios de unión sobre el ADN y no se transcriben.

50 La expresión génica es un proceso complejo, regulado de diferentes maneras. Se presentan 2 clases de enzimas, las constitutivas y las adaptativas. Las constitutivas se producen siempre y catalizan procesos que suceden sin interrupción. Las adaptativas o inducidas se producen cuando está el sustrato en el medio y deben ser reguladas.

51 La regulación se hace por 2 mecanismos: 1- Cambios en la actividad de la enzima. 2- Cambios en la producción de la enzima. 1- Cuando hay sustrato en el medio se estimula la actividad de la enzima ya formada. Cuando no lo hay se inhibe dicha actividad. Esta regulación es casi instantánea. 2- Cuando hay sustrato en el medio se produce la enzima. Cuando no lo hay, no se produce. Es un control genético, más lento que el anterior.

52 La Regulación también puede hacerse por Inducción o por Represión. Por inducción es cuando la presencia del sustrato estimula la formación de la enzima, provocando la actividad de los genes. Por represión es cuando la acumulación del producto final inhibe la síntesis de las enzimas que la producen, disminuyendo la expresión de sus genes.

53 Tanto la inducción como la represión puede hacerse por control negativo, o por control positivo. Control Negativo: cuando se producen proteínas reguladoras represoras que se unen al Operador impidendo la transcripción. Control Positivo: cuando se producen pequeñas proteínas activadoras que se unen a la proteína reguladora, impidiendo que se una al operador y permiten la transcripción

54 Ejemplo: Inducción por control negativo. Operón lac. El operón lac es un conjunto de genes estructurales de la bacteria Escherichia coli, junto a un promotor y operador, que se corresponden con secuencias que controlan la transcripción de los genes estructurales. El sustrato (lactosa) induce la producción de enzimas que la degradan y los genes reguladores producen proteínas represoras que impiden la transcripción.

55 REGULACION EN PROCARIOTES Inducción por control negativo Jacob y Monod, 1961

56 REGULACION EN PROCARIOTES

57 REGULACIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS El objetivo de la regulación de la expresión génica en Eucariotes es garantizar que el gen correcto se active en la célula correcta en el momento correcto. En un organismo pluricelular todas las células tienen la misma información genética. Cada célula expresa solamente una parte de su potencial. La expresión génica depende del tejido. Ejemplo: principales proteínas de reserva de las semillas (zeína del maíz o vicilinas de arvejas).

58 Los miles de millares de células que constituyen estos organismos provienen de una sola célula diploide y para llegar a este resultado, se ponen en juego dos procesos: la multiplicación celular y la diferenciación. La diferenciación debería ser el resultado de "encender" y "apagar" diferentes genes. Los genes eucariotes estructurales se transcriben por separado y cada uno tiene su propio promotor. Del genoma eucariota, sólo el 7% del DNA es codificador. El gen y la proteína eucariotas no son colineales, ya que el transcrito primario del mrna posee intrones que se pierden durante la maduración de esta molécula

59 La presencia de la membrana celular separa la transricpción de la traducción en tiempo y espacio. Por ello, la regulación de la expresión génica en eucariotes se caracteriza por una mayor diversidad de los mecanismos que actúan La estructura de la cromatina afecta la expresión génica en Eucariotes..El ADN debe desenrrollarse de las histonas para transcribirse. Existen proteínas activadoras y represoras en ambos tipos de células, pero parecen más frecuentes las activadoras en Eucariotes.

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61 Bibliografía DE ROBERTIS, E. D. Y E. M. DE ROBERTIS (h). Biología celular y Molecular. El Ateneo, FREIFELDER DAVID. Fundamentos de Biología Molecular. Ed. Acribia, S.A., 1988 PIERCE, B. A. Genética Un enfoque conceptual. 2da. Edición. Ed. Panamericana SANCHEZ MONGE, E. Y N. JOUVE Genética. Omega. Barcelona. Ed. TAMARIN, R. Principios de Genética. Reverté S. A