Tema 15. EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

Transcripción

1 Tema 15. EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA La transmisión de la información: el dogma central de la biología Dos problemas que se plantearon, una vez conocida la estructura del ADN, fueron: cómo se transmite la información de una a la siguiente generación celular? y cómo el ADN puede dirigir la construcción y el funcionamiento de un ser vivo? La respuesta constituye lo que hoy se llama el dogma central de la biología. El ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular mediante un proceso de replicación; además, transmite su información a una molécula de ARNm por el proceso de transcripción y el ARNm lo transmite a una secuencia de aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción. Este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son la transcripción inversa y la autorreplicación del ARN, ambos encontrados en ciertos grupos de virus que tienen como material genético ARN y no ADN. DIFERENCIAS ENTRE REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN REPLICACIÓN TRANSCRIPCIÓN Concepto: Formación de ADN a partir del ADN Concepto: Formación de ARN a partir del ADN Total: Se replica todo el ADN de cada célula Selectiva: Sólo se transcriben algunas regiones de ADN (gen) Se replican las dos hebras de ADN Se transcribe una sola hebra de ADN Sólo una replicación antes de cada división celular (fase S del ciclo celular) Reiterativa: un gen se transcribe muchas veces (todo el ciclo celular) Candelas Manzano y Mª José Martínez 1

2 TRANSCRIPCIÓN: Es el proceso de copia de un gen o fragmento de DNA utilizando ribonucleótidos y originándose diferentes tipos de RNA. La transcripción constituye la primera etapa que tiene lugar en el proceso de la expresión genética. La transcripción consiste, como su nombre indica, en copiar la información (secuencia de nucleótidos) de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, en una molécula de ARN. En este proceso, por consiguiente, tomando como molde o patrón una de las cadenas del fragmento del ADN, se sintetiza una molécula de ARN, cuya secuencia de nucleótidos será complementaria con dicha cadena de ADN. Localización celular de este proceso en procariotas (citoplasma) y eucariotas (núcleo). Se deben tener en cuenta los siguientes conceptos Ley de la complementaridad de bases nitrogenadas Sentido de la síntesis 5 3 La Timina es exclusiva del ADN y el Uracilo del ARN Mecanismo y etapas de la transcripción del ARN-m: Para que se lleve a cabo la transcripción del DNA en las células se requieren los siguientes elementos: ADN original que servirá de molde para ser copiado (se copia una sola cadena) Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia ARN-polimerasa: sintetiza el ARN a partir del molde del ADN. Realiza las siguientes funciones: Identifica y se une a determinadas secuencias de ADN, llamados centros promotores, que indican el inicio de la transcripción y la cadena que se transcribe Una vez fijada al ADN, produce el desenrollamiento de la doble hélice. Va leyendo la secuencia de nucleótidos en dirección 3 5, y añade ribonucleótidos complementarios en dirección 5 3. El complementario de A ----U Utiliza ribonucleótidos trifosfato, que al unirse se hidrolizan, para obtener la Energía necesaria para el enlace. Candelas Manzano y Mª José Martínez 2

3 FASES (EUCARIOTAS) 1.-Iniciación: La ARN-polimerasa se une a una zona del ADN (centro promotor: TATA box) previa al ADN que se quiere transcribir. A continuación se separan las dos cadenas por la endonucleasa que rompe los enlaces, iniciándose el proceso de copia del ADN a transcribir. Los ribonucleótidos se añaden en sentido 5'-3'. 2.- Elongación: La ARN-polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN. Se transcriben intrones (no contienen información para la síntesis de la cadena polipeptídica) y exones (contienen información para formar la cadena polipeptídica) hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir. Se añade en el extremo 5 una caperuza de metil-guanosina trifosfato que protege este extremo del ataque de las nucleasas cuando el ARN sale del núcleo hacia los ribosomas. 3.- Terminación. La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola de poli-a, agregada por la enzima poli-a polimerasa, que sirve para que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares y contribuya a su transporte fuera del núcleo. Se forma el ARN transcrito primario ( pre-arnm) 4. Maduración de los productos de la trancripción: Se da en el núcleo de eucariotas y la realiza una enzima ribonucleoproteína mediante corte y empalme (splicing) eliminando los intrones del ARN y quedando los exones libres para ser unidos por una ARN-ligasa. Se forma el ARN maduro Candelas Manzano y Mª José Martínez 3

4 Diferencias de la transcripción en eucariotas y procariotas. Diferencias de la transcripción en eucariotas y procariotas. PROCARIONTES EUCARIONTES Tienen tres tipos de ARN-polimerasa para sintetizar los distintos tipos de ARN Tienen un solo tipo de ARN-polimerasa La transcripción tiene lugar en el citoplasma yla traducción es casi simultánea Los genes con continuos. Se transcribe el ARN mensajero sin maduración posterior. Sólo maduran los transcritos correspondientes a ARNr y ARNt. Muchos ARN mensajeros contienen información para sintetizar varias proteínas diferentes ARN polimerasa I: ARN r ARN-polimerasa II : ARNm ARN-polimerasa III: ARN t La transcripción se produce en el núcleo, y la traducción, en el citoplasma. Muchos genes son discontinuos (intrones y exones).el ARN transcrito primario sufre la eliminación de los intrones en un proceso de maduración. El ARNm codifica la información correspondiente a una sola cadena polipeptídica. El extremo 3' posee una cadena de unos doscientos nucleótidos de adenina que forma una cola denominada poli-a. Esta cola contribuye al transporte del ARNm fuera del núcleo y a que no sea destruido por las nucleasas celulares. Al extremo 5' del ARN m que se está formando, se le añade el nucleótido metil-guanosina trifosfato, que forma una especie de caperuza. Esta sirve para proteger este extremo de la acción de las nucleasas cuando el ARNm sale del núcleo. Candelas Manzano y Mª José Martínez 4

5 EL CÓDIGO GENÉTICO: Web Tutorial 14.2: The Genetic Code El código genético es la tabla de correspondencia entre las letras del ARN (A C G U) tomadas de tres en tres llamadas tripletes (CODÓN) y los 20 aminoácidos que forman las proteínas. Las características del código genético son: 1. Un grupo de tres letras adyacentes llamado codón o triplete codifica un aminoácido. 2. Es universal ya que los tripletes son los mismos para todos los seres vivos, aunque existen excepciones (ciliados y mitocondrias). Luego, la especificidad reside en su diferente orden. 3. Es degenerado, es decir, un aminoácido puede estar codificado por más de un triplete: codones sinónimos, ejemplo leucina (6 codones) tirosina (2 codones).así, si se produce una mutación, sólo afecta a un aminoácido. 4. Es continuo, es decir, no existen interrupciones, comas o puntos que separen los codones. 5. Es un código sin solapamientos, es decir, los tripletes no se solapan y cada tres bases se corresponden con un aminoácido. Es muy importante el comienzo del orden de lectura. 6. No es ambiguo: La unidad de lectura es el codón (cada triplete de nucleótidos del ARNm codifica para un aminoácido). 7. El codón de inicio (principalmente AUG) que codifica a la N-formil-Metionina (procariontes) o a la metionina ( eucariontes). 8. El codón de terminación, de stop o codones sin sentido (no codifican ningún aminoácido) que provocan la finalización de la síntesis de la cadena polipeptídica son UAA, UAG y UGA. 9. No presenta imperfección. La retrotranscripción. Concepto. Explicación del proceso en un retrovirus. Los retrovirus son virus ARN monocatenarios que se replican a través de intermediarios de ADN bicatenario, como por ejemplo el virus del sarcoma de Rous ( tumor cancerígeno en aves de corral) o el virus del SIDA. Tras la entrada del virus en la célula, el ARN del virus se transcribe mediante un enzima vírica, llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, originándose una molécula de ADN bicatenario. Este ADN penetra en el núcleo celular y se inserta en un cromosoma, recibiendo el nombre de provirus, que se transmite de generación en generación como cualquier carácter heredable. Candelas Manzano y Mª José Martínez 5

6 TRADUCCIÓN: SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Es el proceso por el cual los ribosomas convierten la secuencia de codones del ARNm en una secuencia de aminoácidos, los cuales son transportados por los ARNt hasta los ribosomas. Localización celular en procariotas y eucariotas El proceso ocurre en el citoplasma, en los eucariotas los ribosomas están unidos al Retículo endoplasmático formando polisomas, mientras que en los procariotas están libres formando cadenas o polisomas. Función de los distintos ARN y de los ribosomas. El ribosoma es la estructura celular encargada de leer los codones del ARNm, y de ir uniendo a ellos, temporalmente, los complejos aminoacil-arnt, cuyos anticodones sean complementarios con el ARNm. Cada uno de estos aminoacil-arnt aportará un determinado aminoácido, que posteriormente se unirán y formarán la proteína. Cada aminoacil-arnt es específico de un aminoácido. El ribosoma consta de dos subunidades que, al inicio de la síntesis, se unen. En ellos se diferencian dos sitios o centros de unión, en donde los ARNt se unen mediante sus anticodones con los codones del ARNm. Estos sitios son: El sitio A o aminoacil. Es el lugar del ribosoma donde se van incorporando los nuevos aminoacil-arnt. Aquí el aminoacil-arnt se une por su anticodón con el correspondiente codón del ARNm. El sitio P o peptidil es el lugar del ribosoma donde se encuentran los peptidil-arnt, es decir, los ARNt que están unidos a la cadena peptídica en formación con los codones del ARNm. Síntesis de proteínas Web Tutorial 14.3: Manufacturing Proteins Candelas Manzano y Mª José Martínez 6

7 FASES DEL PROCESO. INICIACIÓN. ELONGACIÓN. TERMINACIÓN Antes de que se inicie propiamente la síntesis proteica, es preciso que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. A continuación comenzará la síntesis proteica con las siguientes fases: Iniciación. elongación. terminación ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS : Aminoácido + ARNt + ATP + aminoacil ARN sintetasa Aminoacil ARNt + AMP + Pi Los aminoacil-arnt son complejos moleculares formados por un aminoácido y un ARNt específico al cual se une. Estos complejos se forman en el hialoplasma, en una fase previa a la traducción. De esta manera, los aminoácidos, que van a formar parte de las proteínas, son transportados hasta los ribosomas, donde se unirán en el orden que determinan los codones del ARNm. La formación de estos complejos se realiza gracias a la acción de unos enzimas específicos, llamados aminoacil-arnt-sintetasas. Estos enzimas catalizan la unión para cada aminoácido entre un aminoácido y un ARNt, siempre que éste posea un determinado anticodón, puesto que este triplete de nucleótidos del ARNt es lo que va a determinar con qué aminoácido se va a unir. Existen 20 ARNt igual al número de aminoácidos. Se necesita ATP para formar el complejo. Con menor frecuencia GUC valina en vez de metionina. 1. INICIACIÓN: El complejo de iniciación es un complejo molecular que se forma en la primera etapa de la traducción o etapa de iniciación. Este complejo está formado por: el ARNm, la subunidad menor del ribosoma y el primer aminoacil-arnt, que suele ser el ARNt-metionina. Una vez formado, se une a él la subunidad mayor, y se forma el ribosoma completo. Este complejo de iniciación se forma de la siguiente manera: El ARNm se une por su extremo 5' a la subunidad menor del ribosoma; en este proceso interviene un factor proteico de iniciación llamado FI1. A continuación, el primer aminoacil-arnt se une, mediante puentes de hidrógeno y por su anticodón, al codón iniciador del ARNm, que suele ser el AUG. Por esta razón, el primer aminoacil-arnt es el ARNt-metionina. En este proceso interviene otro factor de iniciación llamado FI2.En la formación del complejo de iniciación se requiere energía, que se obtiene de la hidrólisis del GTP. 2. ELONGACIÓN Candelas Manzano y Mª José Martínez 7

8 Consiste en la formación de la cadena polipeptídica por adición de aminoácidos. El ARNm es leído en dirección , y la cadena polipeptídica se sintetiza desde el extremo N-terminal hacia el C-terminal. Podemos distinguir tres etapas dentro de esta fase. Fijación del Aminoacil ARNt: El segundo aminoacil-arnt se coloca en el lugar A y establece puentes de H entre las bases del anticodon y codon. Si no existe complementariedad de bases, sale fuera del lugar A Esto es posible gracias a la presencia de factores de elongación (FE) Formación del enlace peptídico: los dos lugares A y P se hallan ocupados por dos aminoacil ARNt, de manera que los dos aminoácidos se unen mediante enlace peptídico, reacción catalizada por la peptidil transferasa. Se suelta el ARNt de la posición P al tiempo que se forma el enlace peptídico. Traslocación: El ARNt sin aminoácido abandona el ribosoma gracias a la acción de FE y GTP. El ribosoma se desplaza un codón en dirección 3 y el Peptidil ARNt ocupa el sitio P, dejando vacío el lugar A.El ARNm presenta su tercer codón en el lugar A lo que posibilita la entrada de un tercer ARNt con otro aminoácido, de manera que un nuevo ciclo de elongación puede comenzar, de forma que el ribosoma traduce el ARNm en sentido TERMINACIÓN Cuando el lugar A queda ocupado por alguno de los tres posibles codones de paro ( UAA, UAG, UGA), ningún ARNt puede ocuparlo, y el ribosoma da por terminada la síntesis del polipéptido. Hace falta la presencia de los factores de terminación (RF). La proteína ya formada abandona el ribosoma ( se disocia en sus dos subunidades), y también lo hacen el ARNm y el ARNt. Candelas Manzano y Mª José Martínez 8

9 Diferencias de la traducción en eucariotas y procariotas PROCARIONTES Ribosomas de menor tamaño 70S El codón de iniciación es AUG y el aminoácido que comienza la síntesis es la metionina pero en ocasiones es GUG (valina) Una molécula de ARNm contiene muchos lugares de iniciación y por tanto servirá de molde para múltiples proteínas Tienen un factor de iniciación En las bacterias actúan dos factores de liberación EUCARIONTES Ribosomas de mayor tamaño 80S El codón de iniciación es siempre AUG y el aminoácido que comienza la síntesis es la metionina Una molécula de ARNm sólo presenta un lugar de iniciación Tienen más factores de iniciación En la terminación sólo actúa una proteína como factor de liberación Resumen con un ejemplo: Orden que da el ADN (frase con codógenos) TAC GGC TTA Transcripción al ARNm (frase traducida a codones) AUG CCG AAU Trasferencia de a-a por el ARNt (anticodones) UAC GGC UUA Cadena que se forma (polipéptido o proteína) aa-----aa-----aa Esquema resumen de la síntesis de proteínas Candelas Manzano y Mª José Martínez 9

10 Preguntas de selectividad Candelas Manzano y Mª José Martínez 10

11 [Formación de una molécula de ADN recombinante 1) y 2) Algunas secuencias del ADN son reconocidas por enzimas de restricción que lo cortan en fragmentos. 3) Un fragmento de ADN proveniente de otra fuente es agregado y se aparea con los fragmentos mediante complementación de las hebras. 4) La enzima ADN ligasa une covalentemente las hebras dejándolas continuas] Candelas Manzano y Mª José Martínez 11

12 . morfofisiologia celular al.html La retrotranscripción. Concepto. Explicación del proceso en un retrovirus. Los retrovirus son virus ARN monocatenarios que se replican a través de intermediarios de ADN bicatenario, como por ejemplo el virus del sarcoma de Rous o el virus del SIDA. Tras la entrada del virus en la célula, el ARN del virus se transcribe mediante un enzima vírica, llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, originándose una molécula de ADN bicatenario. Este ADN penetra en el núcleo celular y se inserta en un cromosoma, recibiendo el nombre de provirus, que se transmite de generación en generación como cualquier carácter heredable El proceso más detalladamente consiste en: El ARN del virus es del tipo (+) y se transcribe mediante una transcriptasa inversa, presente en la partícula viral, a una cadena ADN (-); así se forma una molécula mixta ARN(+) ADN(-) complementario o ADNc. El mismo enzima degrada el ARN vírico y, a partir del ADNc, sintetiza una segunda cadena complementaria suya [ADN (+)], para dar una molécula ADN bicatenaria. Este ADN bc penetra en el núcleo y se inserta en un cromosoma de la célula huésped, en donde recibe el nombre de provirus. Una vez integrado el ADNbc se trascribe por un lado, en los ARNm que formarán las cápsidas y la transcriptasas inversas, y por otro, en las cadenas ARN de los nuevos virus. Los retrovirus son trasmitidos de generación en generación, como cualquier otro carácter heredable, y continúan produciendo viriones, sin que ase aísle el provirus. Si el virus es portador de un gen canceroso (oncogén) su integración transforma a la célula y origina un cáncer muy agresivo. Candelas Manzano y Mª José Martínez 12

13 Candelas Manzano y Mª José Martínez 13