J. L. Sánchez Guillén. IES Pando - Oviedo Departamento de Biología y Geología 1
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- Irene Acosta Padilla
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1 J. L. Sánchez Guillén IES Pando - Oviedo Departamento de Biología y Geología 1
2 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 2
3 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 3
4 Los genes se encuentran en el núcleo de todas las células. En las células humanas se cree que hay unos genes, localizados en 46 cromosomas. Cada cromosoma es una molécula de ADN que contiene miles de genes. En la figura células de los tubos seminíferos del testículo productoras de espermatozoides vistas al microscopio óptico X1000. Se observan núcleos en interfase y núcleos en división. Los puntos más oscuros dentro del núcleo son los nucléolos. Núcleo en interfase nucléolo núcleo Núcleo en división 4
5 5
6 mitocondria envoltura nuclear cromatina núcleo nucleolo citoplasma 6 (i+5)
7 Fibras nucleosómicas En el núcleo celular, la cromatina está formada por ADN y proteínas. nucleosoma Los genes se encuentran localizados en las moléculas de ADN. cromatina 7
8 Fibra nucleosómica y fibra de 30nm (microscopio electrónico), 8
9 Esquema de una fibra nucleosómica en collar de perlas nucleosoma ADN espaciador Histona H1 9
10 Esquema de una fibra de 30 nm 10
11 Dos cromátidas 2x10 vueltas de espiral 1 vuelta de espiral (30 rosetones) 1 rosetón (6 bucles) 1 bucle Fibra de 30 nm Collar de perlas (nucleosoma) ADN 11
12 Cuando la célula se va a dividir el ADN se empaqueta fuertemente formado los cromosomas metafásicos (cromosomas de una célula humana en división). 12
13 Cromosomas metafásicos X e Y humanos. Cada cromosoma está formado por dos moléculas de ADN idénticas fuertemente empaquetadas. Alineados en estas moléculas se encuentran los genes. 13
14 CONCEPTO MOLECULAR DEL GEN. ESTRUCTURA DE LOS GENES EN EUCARIOTAS Concepto molecular de gen: La mayoría de los genes son fragmentos de la molécula de ADN que determinan la síntesis de una proteína, otros realizan funciones reguladoras. Estructura de los genes en eucariotas: La estructura de los genes en eucariotas es compleja. La secuencia de nucleótidos que constituye un gen, y los propios genes entre sí, no se disponen linealmente en los cromosomas sino espaciados por fragmentos de ADN que no poseen información que pueda ser transcrita. En todo gen, además, distinguiremos las siguientes regiones: -La región promotora (P) es una porción del ADN situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aminoácido, sirve para que las enzimas que realizan la trascripción reconozcan el principio del gen. -La región codificadora (C) es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. En la región codificadora van a existir fragmentos de ADN que no contienen información: los intrones, y fragmentos que sí que contienen información: los exones. El principio de esta región viene marcado, generalmente, por la secuencia de bases nitrogenadas ATG y el final por una de estas tres tripletas: TAA, TAG, TGA; tripletas que se denominan de paro, sin sentido o secuencias stop. -La región terminadora. (T) Marca el final del gen. 14
15 Estructura de un gen en los eucariotas P C T Molécula de ADN Gen 1 P Gen 2 C T P C T Gen 3 Región codificadora Promotor E1 I1 E2 I2 E3 Terminador ATG TAC TAG ATC Estructura del Gen 2 15
16 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 16
17 TRASCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN El ADN se encuentra en el núcleo celular y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma, en el hialoplasma concretamente. Es por esto que la información contenida en la estructura primaria del ADN debe transcribirse a una molécula de ARN denominada ARN mensajero (ARNm). También se sintetizan en el núcleo el ARNr y el ARNt, necesarios para la síntesis proteica. Los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la trascripción de la información genética 17
18 La expresión de la información genética: Transcripción y traducción de un gen en eucariotas. 1) ADN; 2) ARNpolime-rasa; 3) ARNmp ; 4) ARNm ; 5) ARNm maduro; 6) Proteína; 7) Ribosoma núcleo 4 AAAAAAAAAAAAA 5 AAAAAAAAAAAAA Citoplasma AAAAAAAAAAAAA Para saber más
19 La transcripción: Síntesis de ARN (i5) ARN ADN 19
20 La transcripción: Síntesis de ARN T A C A C G C C G A C G (i5) ARN ADN 20
21 La transcripción: Síntesis de ARN. 5 ARNpolimerasa A T A C A C G C C G A C G 5 (i5) ARN ADN 21
22 La transcripción: Síntesis de ARN. 5 ARNpolimerasa 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 (i5) ARN ADN 22
23 Transcripción: 1- Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN. ARNpolimerasa T A C G A A C C G T T G C A C A T C A (i) 23
24 Transcripción: 1- Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN. ARNpolimerasa T A C G A A C C G T T G C A C A T C A U (i) 24
25 Transcripción: 1- Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN. ARNpolimerasa T A C G A A C C G T T G C A C A T C A U G (i) 25
26 Transcripción: 1- Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el 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 (i) 26
27 Transcripción: 2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5' 3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-gtp en el extremo 5 con función protectora. 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 27
28 Transcripción: 2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5' 3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-gtp en el extremo 5 con función protectora. ARNpolimerasa T A C G A A C C G T T G C A C A T C m-gtp A U G C U U G G C A A C G U G 28
29 Transcripción: 3- Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una polia-polimerasa añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola polia, y el ARN, llamado ahora ARNm precursor, se libera. polia-polimerasa m-gtp A U G C U C G U G U A G A A A A A ARNm precursor (i) 29
30 4. Maduración: El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. 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. Región codificadora del gen ADN Promotor E1 I1 E2 I2 E3 Terminador ATC TAG ARNm precursor Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola AAAAAA AUG UAG ARNm maduro Cabeza AUG UAG cola AAAAAA 30
31 4. Maduración (cont.): El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. 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. ARNm precursor Cabeza AUG UAG cola AAAAAA (i) 31
32 4. Maduración (cont.): El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. 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. ARNm precursor Cabeza AUG UAG cola AAAAAA (i) 32
33 4. Maduración (cont.): El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. 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. ARNm precursor Cabeza AUG UAG cola AAAAAA (i) 33
34 4. Maduración (cont.): El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. 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. ARNm maduro Cabeza AUG UAG cola AAAAAA (i) 34
35 Transcripción y traducción de un gen en eucariotas. 1) ADN; 2) ARNpolimerasa; 3) ARNmp ; 4) ARNm ; 5) ARNm maduro; 6) Proteína; 7) Ribosoma núcleo 4 AAAAAAAAAAAAA 5 AAAAAAAAAAAAA Citoplasma AAAAAAAAAAAAA Para saber más
36 Diferencias entre la transcripción en procariotas y en eucariotas: 1ª) En los procariotas el ARNm no tiene ni caperuza ni cola. 2ª) Tampoco tiene intrones y por lo tanto no requiere de un mecanismo de maduración. 3ª) Al mismo tiempo que el ARNm se transcribe se está ya traduciendo. 4ª) Los genes son policistrónicos. Esto es, un ARNm contienen información para varias proteínas. Figura: Transcripción y traducción en procariotas. 1) ADN; 2) ARNm; 3) Subunidad menor del ribosoma; 4) Sub. mayor; 5) proteína; a) extremo 5 ; b) extremo 3 ; c) extremo carboxilo de la proteína; d) extremo amino (P.A.U junio del 99). 1 a 3 2 b 4 c 5 d 36
37 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 37
38 Existe una relación entre la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas que recibe el nombre de código genético. A U G C A A U G C U U A C G A A U U U A G AAAAAA 1º 2º 3º 4º 5º 6º stop H Met Gln Cys Leu Arg Ile - OH 38
39 EL CÓDIGO GENÉTICO El ARNm tiene una estructura primaria complementaria de una de las cadenas del ADN. Esta disposición de las bases nitrogenadas en el ARNm es la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína. George Gamow postuló que un código de codones de tres bases debía ser el empleado por las células para codificar la secuencia aminoacídica. CRICK demostró que los aminoácidos en las proteínas van a estar codificados por secuencias de tres bases nitrogenadas consecutivas de las cadenas de ARNm, a partir de la secuencia de iniciación AUG, complementaria de la secuencia de iniciación TAC del ADN. Cada una de estas secuencias de tres bases se llaman tripletas o codones. Este código, que relaciona la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas, recibe el nombre de código genético. 39
40 EL CÓDIGO GENÉTICO: Por qué cada aminoácido está codificado por tres bases? Los nucleótidos de los ácidos nucleicos tienen 4 bases diferentes: la adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) y el uracilo (U). Al tener las proteínas 20 aminoácidos distintos, una o dos bases no serían suficientes para codificarlos: - Una base daría sólo 4 combinaciones distintas: 4 1 = 4. - Las combinaciones posibles de dos bases serían: 4 2 = Las combinaciones posibles de 3 bases serían:4 3 = 64. Así pues, al haber 64 codones o combinaciones de tres bases, como solamente hay 20 aminoácidos distintos, se deduce que varias tripletas codificarán un mismo aminoácido. 40
41 El hecho de que los codones constan de tres nucleótidos fue demostrado por primera vez en el experimento de Crick, Brenner y colaboradores. Marshall Nirenberg y Heinrich J. Matthaei en 1961 en los Institutos Nacionales de Salud descubrieron la primera correspondencia codón-aminoácido. Empleando un sistema libre de células, tradujeron una secuencia ARN de poli-uracilo (UUU...) y descubrieron que el polipéptido que habían sintetizado sólo contenía fenilalanina. (Wikipedia) U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U H Phe Phe Phe Phe Phe Phe Phe-OH 41
42 EL CÓDIGO GENÉTICO Segunda base U C A G P r i m e r a b a s e U C A Phe UUU Phe UUC Leu UUA Leu UUG Leu CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Ile AUU Ile AUC Ile AUA Met AUG Ser UCU Ser UCC Ser UCA Ser UCG Pro CCU Pro CCC Pro CCA Pro CCG Thr ACU Thr ACC Thr ACA Thr ACG Tyr UAU Tyr UAC Stop UAA Stop UAG His CAU His CAC Gln CAA Gln CAG Asn AAU Asn AAC Lys AAA Lys AAG Cys UGU Cys UGC Stop UGA Trp UGG Arg CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Ser AGU Ser AGC Arg AGA Arg AGG U C A G U C A G U C A G T e r c e r a b a s e G Val GUU Val GUC Val GUA Val GUG Ala GCU Ala GCC Ala GCA Ala GCG Asp GAU Asp GAC Glu GAA Glu GAG Gly GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG U C A G 42
43 El codigo genético (orden alfabético por aminoácidos). AMINOÁCIDO Alanina (Ala) Arginina (Arg) Asparragina (Asn) Ácido aspártico (Asp) Cisteína (Cys) Ácido glutámico (Glu) Glutamina (Gln) Glicocola (Gly) Histidina (His) Isoleucina (Ile) Leucina (Leu) Lisina (Lys) Metionina (Met) Fenilalanina (Phe) Prolina (Pro) Serina (Ser) Treonina (Thr) Triptófano (Trp) Tirosina (Tyr) Valina (Val) Sin sentido (Stop) TRIPLETA O CODÓN GCU, GCC, GCA, GCG CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG AAU, AAC GAU, GAC UGU, UGC GAA, GAC CAA, CAG GGU, GGC, GGA, GGG CAU, CAC AUU, AUC, AUA, UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG AAA, AAG AUG UUU, UUC CCU, CCC, CCA, CCG UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC ACU, ACC, ACA, ACG UGG UAU, UAC GUU, GUC, GUA, GUG UAA, UAG, UGA 43
44 Ejemplo de codificación de un péptido con seis aminoácidos. A U G C A A U G C U U A C G A A U U U A G AAAAAA 1º 2º 3º 4º 5º 6º stop H Met Gln Cys Leu Arg Ile - OH 44
45 CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO 1ª El código genético es universal. Todos los seres vivos lo emplean; con ciertas excepciones, por ejemplo, el de las mitocondrias, que tiene algunas diferencias. 2ª Se trata de un código degenerado pues el número de tripletas (64) es superior al de aminoácidos existentes en las proteínas (20). 3ª Existen tres tripletas que no codifican ningún aminoácido, son las tripletas "sin sentido", de "paro" o "stop". Estas tripletas marcan el final de la región a traducir, esto es, el final de la molécula proteica. 4ª La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aminoácido metionina. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por la metionina. Ahora bien, posteriormente, esta metionina que ocupa la posición inicial puede ser eliminada. 45
46 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 46
47 Polirribosomas sintetizando proteínas en el hialoplasma celular. 47
48 Ribosomas en el hialoplasma celular. 48
49 49
50 Para saber más 50
51 Traducción de la información genética (i+4) 51
52 Traducción de la información genética ribosoma péptido 52
53 1 2 3 núcleo 4 AAAAAAAAAAAAA 5 AAAAAAAAAAAAA Citoplasma AAAAAAAAAAAAA
54 1 a 3 2 b 4 c 5 d 54
55 MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE UN PÉPTIDO) 55
56 Recordemos cómo es la estructura química del ARNt. Brazo aceptor de aminoácidos Bucle del anticodon 56
57 1ª) Activación de los aminoácidos: aa + GTP aa-gmp + PPi Guanina P Aminoácido Ribosa 57
58 2ª) Unión al ARNt Aminoácido ARNt 58
59 2ª) Unión al ARNt Aminoácido U A C ARNt Bucle del anticodón 59
60 3ª) Iniciación Subunidad menor del ribosoma P A 5 AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A C G A U A G U A C Codón Anticodón ARNt ARNm (i) 1er aminoácido 60
61 4ª) Elongación I 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 (i) 61
62 4ª) Elongación II 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 62
63 4ª) Elongación III 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 63
64 4ª) Elongación IV 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 64
65 4ª) Elongación V 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A A C G C G A U A G 65
66 4ª) Elongación VI 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A G U U U G C U U A A C G C G A U A G 66
67 4ª) Elongación VII 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A C G C G A U A G (i) 67
68 4ª) Elongación VIII 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A C G C G A U A G 68
69 4ª) Elongación IX 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A C G C G A U A G A A U Leu 69
70 4ª) Elongación X 5 P A ARNm AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A C G A A U C G A U A G 70
71 4ª) Elongación XI 5 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A A U C G A U A G 71
72 4ª) Elongación XII 5 ARNm P A AAAAAAAAAAA 3 A U G C A A U G C U U A A A U C G A U A G G C U 72
73 4ª) Elongación XIII 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 73
74 5ª) Finalización I 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 74
75 5ª) Finalización II ARNm 5 A U G C A A U G C U U A C G A U A G AAAAAAAAAAA 3 (i) 75
76 5ª) Finalización II ARNm 5 A U G C A A U G C U U A C G A U A G AAAAAAAAAAA 3 (i) 76
77 5ª) Finalización II A ARNm 5 A A U G C U U A C G A U A G AAAAAAAAAAA 3 U G C (i) 77
78 5ª) Finalización II A A ARNm 5 U G C U U A C G A U A G AAAAAAAAAAA 3 U A G C (i) 78
79 REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN. 79
80 REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Ahora bien, no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular. Muchos genes no actúan nunca y otros actúan sólo en determinados momentos, pudiendo permanecer durante largos periodos de tiempo inactivos. Para poder comprender el mecanismo de acción de los genes veamos a continuación estos dos modelos de regulación: 80
81 Regulación del operón LAC en E. coli. Si no hay lactosa el represor está en su forma activa, y los genes estructurales no se transcribe, con lo que la célula no tendrá los enzimas para metabolizarla. Operón LAC Regulador Operador Gen x Gen a Gen y ARNm Si no hay lactosa los Genes no se transcriben Represor activo 81
82 Regulación del operón LAC en E. coli. Si hay lactosa, esta se une al represor y lo inactiva. El operador, al estar libre, desencadena la transcripción de los genes estructurales, con lo que se sintetizarán las enzimas necesarias para metabolizar la lactosa. Cuando haya desaparecido la lactosa el represor volverá a su estado Operón LAC activo y dejarán de transcribirse los genes x, y y a. Operón LAC Regulador Operador Gen x Gen a Gen y ARNm Transcripción Represor Traducción Represor inactivo Lactosa Enzimas para metabolizar la lactosa 82
83 Regulación del operón de la vía del triptófano E. coli. Si no hay triptófano el represor está en su forma inactiva. Los genes estructurales de la vía del triptófano se transcribe y se traducen, con lo que se sintetiza el triptófano necesario para la célula. Operón reprimible Regulador Operador Gen a Gen b Gen c ARNm Represor inactivo enzimas Vía metabólica del triptófano triptófano 83
84 . y cuando hay ya suficiente triptófano.. 84
85 Regulación del operón de la vía del triptófago en E. coli. Cuando hay demasiado triptófano, este se une al represor y lo activa. El represor se une al operador, inactivándolo. Los genes a, b y c no se transcriben ni se traducen, con lo que la vía de síntesis del triptófano se paraliza. Lo que asegura que no se sintetice una cantidad excesiva de triptófano. Operón reprimible Regulador Operador Gen a Gen b Gen c ARNm enzimas Represor inactivo Vía metabólica del triptófano Represor activo triptófano 85
86 ÍNDICE 1- Los genes 2- La trascripción de la información genética: Síntesis y maduración del ARN. 3- El código genético 4- Traducción de la información genética: Síntesis de proteínas 86
87 87
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