EXPRESIÓN Y REGULACIÓN DE LOS GENES

Transcripción

1 EXPRESIÓN Y REGULACIÓN DE LOS GENES Proteínas: Son los trabajadores moleculares de la célula, que construyen muchas de sus estructuras celulares y las enzimas que catalizan sus reacciones químicas. ADN: Proporciona las instrucciones para la síntesis de las proteínas a través de intermediarios ARN ARN: molécula que lleva la info del ADN hasta el citoplasma donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas. ADN Codifica la síntesis de muchos tipos de ARN, tres de los cuales cumplen funciones específicas en la síntesis de proteínas: ARN mensajero: ARNm Lleva las instrucciones para la construcción de la proteína ARN ribosómico: ARNr Principal componente de los ribosomas ARN de transferencia ARNtEntrega los aminoácidos a los ribosomas Otros tipos de ARN: virales, ARN enzimático llamado ribozima y otros. Los ribosomas, formados por ARNr y proteínas, son las estructuras sobre las cuales se unen aminoácidos para formar proteínas. Subunidad pequeña tiene sitios de enlace para: 1- El ARNm, 2- ARNt de inicio (carga aminoácido metionina) y 3- proteínas Todos forman el complejo de pre-iniciación, esencial para ensamblar el ribosoma y comenzar la síntesis de proteínas Sub unidad grande tiene: 1- sitios de enlace para dos moléculas de ARNt 2- sitio catalítico para unir los aminoácidos unidos a las moléculas de ARNt Estructura y función del ARNt En el citoplasma se encuentran aminoácido libres y moléculas de ARNt. Cada ARNt tiene un gancho molecular donde puede unirse a aminoácidos. El ARN tiene ANTICODONES, tripletes de nucleótidos específicos complementario a los codones del ARNm 1

2 Pasos del ADN a Proteínas 1) ADN es transcrito a ARN: Ocurre en el núcleo. ARN se mueve al citoplasma. 2) ARN es traducido a cadenas de polipéptidos, las cuáles se doblan para formar las proteínas Comparación de la Transcripción y Replicación del ADN Como en la replicación del ADN: Durante la transcripción, los nucleótidos son agregados en dirección 5`a 3`. Diferente a la replicación del ADN: en la transcripción solo participan pequeñas porciones de la cadenas de ADN, la ARN POLIMERASA cataliza la adición de nuevos nucleótidos a la cadena de ARN, el producto es una cadena sencilla de ARN. Apareamiento de bases durante la transcripción Apareamiento de bases durante la replicación del ADN La información del ADN se usa para dirigir la síntesis de proteínas en dos procesos llamados transcripción y traducción: TRANSCRIPCION Un gen es un segmento de ADN que puede ser copiado o transcrito en ARN. La información contenida en el ADN de un gen particular es copiada en el ARNm. La Transcripción consta de tres etapas: 1- Iniciación 2- Elongación 3- Terminación Así mismo todo gen se divide en tres partes: 1- region promotora al inicio del gen, donde comienza la transcripción (secuencia de bases). 2- Cuerpo de gen, donde ocurre la elongación de la hebra de ARN. 3- Señal de terminación al final del gen 2

3 -La transcripción es iniciada por un Promotor: Una secuencia de bases en el ADN que señala el inicio de un gen. Para que la transcripción ocurra, la ARN polimerasa debe de unirse a un promotor en el ADN. Promotor: en eucariontes consta de dos regiones principales: 1. Secuencia corta de bases, muchas veces TATAAA, que enlaza la ARN polimerasa 2. Una o más secuencias diferentes, llamadas sitios de enlace de los factores de transcripción. Factores de transcripción: proteínas celulares que al unirse a sitios de enlace de los factores de transcripción, refuerzan o suprimen el enlace de la ARN polimerasa con el promotor y así refuerza o suprimen la trascripción de un gen. La ARN polimerasa inicia la transcripción en la región promotora en el ADN. La enzima se desplaza a lo largo de la cadena de ADN uniendo nucleótidos adenina, citosina, guanina y uracilo en la cadena del ARN según corresponda. Durante la transcripción, la doble hélice del ADN comienza a desdoblarse en frente de la ARN polimersa. Pequeños segmentos de ARN nuevo se unen brevemente al molde de ADN. Los nuevos segmentos de ARN se desenrrollan del molde y las dos hebras del ADN se unen nuevamente. Molécula de ARN recién formada Molde del ADN en el sitio seleccionado de la transcripción Molde desdoblado de ADN ADN sin desdoblar Qué sucede en el sitio de ensamblaje? La ARN polimerasa cataliza el ensamblaje de ribonucleótidos, uno después de otro, en la cadena de ARN, usando las bases expuestas de ADN como molde. Muchas otras proteínas asisten en este proceso. Cuando la polimerasa de ARN llega a una secuencia de bases de ADN conocida como señal de terminación la cadena formada de ARN se libera del ADN molde. 3

4 En un extremo de la región del gen, la última cadena del nuevo transcrito se desenrolla y se libera del ADN molde. Abajo se muestra un modelo para un filamento transcrito ARN. 3` Dirección de la transcripción 5` 5` Crecimiento del transcrito de ARN Crecimiento del trascrito de ARN 3` En células eucariontes las moléculas de ARN recién formadas (pre-arn) deben de ser modificadas antes de que sus instrucciones para la síntesis de proteínas puedan ser útiles. La mayoría de los genes eucariontes contienen INTRONES: Secuencias de bases que no codifican para proteínas y deben ser retiradas de la molécula de pre-arn para que pueda ser traducida. 4

5 EXTRONES: Segmentos del ARNm que se expresan en proteínas. Partes que quedan en el ARNm cuando se realiza la síntesis de proteínas. TRADUCCIÓN: La secuencia de bases del ARNm codifica la secuencia de aminoácidos de una proteína. En la síntesis de proteínas se descifra esta secuencia. Con la participación de el ribosoma completo, proteínas, ARNm y muchos ARNt se ensambla la proteína. CÓDIGO GENÉTICO Diccionario que permite pasar del lenguaje de nucleótidos al lenguaje de aminoácidos. Traduce la secuencia de las bases de los ácidos nucléicos a la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Los ribosomas leen las bases nitrogenadas de 3 en 3 (tripletes) Los tripletes en el ARNm se llaman Codones 5

6 La metionina (codon de inicio) es el primer aminoácido unido a una cadena polipeptídica. Hay 3 codones que participan deteniendo la traducción. Evitan que se unan más aminoácidos. 6

7 De acuerdo al código genético, los aminoácidos que corresponden a cada uno de los codones del ejemplo son: Valina- Serina Serina- Metionina. Otro ejemplo del funcionamiento del código genético se presente a continuación: se observa en la image la cadena de ADN utilizada como molde para sintetizar la molécula de ARNmensajero. Lueo la forma en que se da la lectura del ARNm por tripletes o codones. ADN ARNm Codones del ARNm Treonina Prolina Glutamato Glutamato Lisina 7

8 LA TRADUCCIÓN SE DIVIDE EN TRES ETAPAS: Iniciación, Elongación, Terminación INICIACIÓN -El ARNt iniciador se une a la sub-unidad pequeña del ribosoma. -Estos se unen con el ARNm y se mueven a lo largo de este, hasta encontrar el codón de iniciación AUG. -La sub-unidad grande del ribosoma se une al complejo Iniciación de la traducción. ELONGACIÓN -El ARNm pasa a través de las sub-unidades ribosomales. -El ARNt acarrea los amino ácidos hasta el sitio de unión, en el orden específico según el ARNm. -Los enlaces peptídicos se forman entre los aminoácidos y la cadena polipeptídica crece. Una cadena polipeptídica se ensambla conforme el ARNm pasa entre las dos subunidades ribosomales TERMINACIÓN -Se llega hasta un codón de terminación en el ARNm. -Factores de liberación se unen al ribosoma. -El ARNm y el péptido se liberan. -Las subunidades del ribosoma se separan 8

9 Qué sucede con la nueva cadena polipeptídica? -Algunas permanecen en el citoplasma. -Otras entran al retículo endoplasmático y se mueven a través del sistema de membranas en donde el péptido es modificado. MUTACIONES Cualquier daño que sufra la molécula de ADN durante la replicación repercutirá en la proteína que codifique el gen afectado. Las consecuencias para la estructura y función de un organismo dependen de cómo afecta la mutación el funcionamiento de la proteína codificada por el gen mutado. Casi todas las mutaciones pueden clasificarse como sustituciones, supresiones, inserciones, inversiones o translocaciones. Las mutaciones producen materia prima para la evolución. Las mutaciones en los gametos pueden transmitirse a las siguientes generaciones. Son esenciales para la evolución, porque estos cambios aleatorios de la secuencia de ADN son la fuente definitiva de toda la variación genética. Ocasionalmente una mutación resulta benéfica para las relaciones del organismo con su entorno. Al paso del tiempo con la reproducción, la secuencia de bases mutante se transmite a toda la población, pues los organismos que la tienen superan y se reproducen más que los rivales que llevan la secuencia de base original. 9

10 SUSTITUCIONES PUNTUALES: Una base es sustituida por otra en la secuencia de nucleótidos. Sustitución de nucleótidos en un gen que codifica una proteína, produce uno de cuatro resultados: 1) La proteína no cambia: el nuevo codón codifica la misma proteína. 2) La nueva proteína es funcionalmente equivalente a la original. 3) La función de la proteína cambia por una secuencia alterada de aminoácidos. 4) La función de la proteína queda anulada por un codón de término prematuro. Supresiones e inserciones Estas mutaciones se producen cuando se suprimen pares de nucleótidos o se insertan pares de nucleótidos en la cadena de ADN. Los efectos de estas mutaciones dependen de cómo se retiren o agregue muchos nucleótidos. Al hacerse la lectura de la molécula de ARNm y aplicar el código genético, se modifica totalmente la lectura que se haga. 10

11 Agregar o quitar tres nucleótidos agrega o quita un aminoácido y el resto de la proteína queda igual. Agregar o quitar uno o dos nucleótidos, hace que la lectura de codones se corra totalmente, cambiando todos los aminoácidos de ahí en adelante. Inversiones y translocaciones Ocurren cuando segmentos del ADN (a veces casi todo o todo un cromosoma) se rompen y se vuelven a unir, ya sea en el mismo cromosoma o en uno diferente. Pueden ser benignas si genes completos con sus promotores pasan de un lugar a otro. Si un gen se divide en dos, ya no va a codificar una proteína completa y funcional. Ejemplo: Casi la mitad de los casos de hemofilia grave son causados por una inversión del gen que codifica una proteína necesaria para coagular la sangre 11

12 Tasa de mutación Cada gen tiene su tasa de mutación característica. En promedio los eucariotas tienen entre 10-4 y 10-6 por gen por generación Solo las mutaciones que se dan en la línea germinal pueden pasar a la siguiente generación. MUTÁGENOS Radiaciones (rayos X): Producen esterilidad en plantas, animales y hombre. También afectan a los tejidos como huesos, nervios, músculos, hígado, riñón, etc. Radiaciones Ultravioleta): Pueden dar origen a aberraciones cromosómicas. Afecta directamente las moléculas de ADN Químicos sintéticos y naturales. Pesticidas: el hombre se expone por ingestión de residuos tóxicos o por contacto directo con estos productos durante su manejo: DDT:insecticida sintético. Se ha probado su mutagenicidad en ratas y células humanas in vivo. Alimentos y aditivos de la alimentación: Sacarina: edulcorante que se utiliza como sustitutivo del azúcar. Ha resultado mutagénico en pruebas en Salmonella-microsomal. Fármacos y drogas: Antibióticos como mitomicina, estreptonigrina, azaserina y fleomicina: se utilizan como agentes antineoplásicos.son mutágenos e inducen aberraciones cromosómicas. Productos industriales: Formaldehído: se utiliza en la fabricación de resinas sintéticas, en industria textil y del papel, como desinfectante de semillas y fungicida. Su mutagenicidad ha sido demostrada en Drosophila, Neurospora y E.coli. REGULACIÓN EN LA EXPRESIÓN DE UN GEN Ocurre en: 1) La transcripción: qué genes se usan para hacer ARNm 2) Traducción: cuanta proteína se hace a partir de un tipo de ARNm 3) Actividad protéica: cuanto dura la proteína en la célula y con qué rapidez cataliza reacciones específicas. Procariontes El ADN procarionte se organiza en paquetes llamados operones en los que 12

13 los genes de funciones relacionadas se depositan unos junto a otros. Operón: 1. Gen regulador: controla el momento o velocidad de transcripción de otros genes. 2. Promotor: la ARN polimerasa lo reconoce como el lugar donde se empieza la transcripción. 3. Operador: regula el acceso de la ARN polimerasa al promotor 4. Genes estructurales: codifican enzimas relacionadas Eucariontes Al igual que en procariontes no todos los genes se transcriben y traducen todo el tiempo y un importante mecanismo de regulación es el control de la velocidad de transcripción. Pasos de la regulación: 1. Las células pueden controlar la frecuencia a la cual se transcribe un gen: depende de la demanda o el producto ARN que codifican. La transcripción varía entre organismos, entre células de un organismo en una célula dada en diferentes fases de la vida del organismo o cuando es estimulada por distintas condiciones ambientales 2. El mismo gen sirve para producir diferentes ARNm y productos proteínicos. Con el mismo gen se pueden elaborar diversos productos proteínicos dependiendo de cómo se divida el prearnm para formar el ARNm maduro que se traducirá en los ribosomas. 3. Las células pueden controlar la estabilidad y la traducción del ARN mensajero. Algunos ARN son muy estables y se traducen muchas veces. 13

14 Otros se traducen poco y luego se degradan. Otros (ARN regulador) pueden obstaculizar la traducción de algunos ARNm o marcar ciertos ARNm para que sean destruidos [tiene secuencias de nucleótido complementario y forman una doble hélice corta] Las proteínas pueden necesitar una modificación para que desempeñen sus funciones. Ej: enzimas digestivas se forman inactiva y hasta que se encuentran en el estómago se activan (se extrae parte de la enzima y el sitio activo se descubre). Una proteína también se puede activar o desactivar agregando o suprimiendo grupos fosfato. 4. Las células pueden controlar la velocidad a la que se degradan las proteínas. Al prevenir o promover la degradación de una proteína, una célula puede ajustar rápidamente la cantidad de la proteína que contiene. 14