Colegio Diocesano San Atón. La expresión del mensaje genético

Transcripción

1 Colegio Diocesano San Atón La expresión del mensaje genético 1

2 Genética molecular. 1.- Naturaleza del material hereditario: experimentos de Griffith, Avery y colaboradores. (Breve comentario) 2.- Expresión de la información genética. - Transcripción del ADN en eucariotas (síntesis de ARNm). Nombrar las diferencias con procariotas. 3.- El código genético. - Características - Traducción (Biosíntesis de proteinas) 4.- Genes y regulación génica. - Concepto de gen - necesidad de regulación de la expresión génica (concepto de operón) 5.- Conservación de la información genética. - Autoduplicación o replicación del ADN en procariotas. Nombrar las diferencias con eucariaotas. 6.- Alteraciones de la información genética. Mutaciones: concepto y tipos de mutaciones (positivas y negativas). Colegio Diocesano San Atón 2

3 Expresión génica 2 Un gen una enzima G. Beadle y E. Tatum Colegio Diocesano San Atón Biología 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 Linus Pauling Descubre, estudiando la anemia falciforme, la relación entre una mutación en el ADN y la pérdida de actividad biológica de una proteína: En la cadena B el sexto aminoácido, que debería ser ácido glutámico, es sustituido por valina. Globulos rojos Normales Falciformes Hershey y Chase Apoyan la teoría de que el ADN es el portador de la información para la síntesis de proteínas con el estudio del fago T2 que es capaz de hacer sintetizar a la célula infectada sus proteínas con la sola inoculación de su ADN. 3

4 Expresión génica Flujo de la información genética: dogma central de la biología molecular Colegio Diocesano San Atón Biología Entre la información del ADN que se encuentra en el núcleo y la síntesis de proteínas que se realiza en los ribosomas (citoplasma), existe un intermediario: el ARN m ARN t ADN Transcripción ARN m Traducción PROTEÍNA Replicación NÚCLEO RIBOSOMAS Este esquema fue considerado durante muchos años el dogma central de la biología molecular. 4

5 Expresión génica Redefinición del dogma central de la biología molecular Colegio Diocesano San Atón Biología 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. Transcriptasa inversa ADNc (complementario) ADNc bicatenario ARN vírico RETROVIRUS Envoltura Transcriptasa inversa Transcriptasa inversa Transcriptasa inversa Membrana plasmática de la célula huésped Degradación del ARN ADNc monocatenario DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Transcripción ADN Replicación Transcripción inversa ARN Replicación Traducción PROTEÍNAS 5

6 Expresión génica Requisitos previo para la síntesis de ADN Colegio Diocesano San Atón Biología La síntesis de ARN o transcripción necesita: CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE ARN polimerasa I ARNr ARN -POLIMERARAS En eucariotas ARN polimerasa II ARNm RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C y U ARN polimerasa III ARNt y ARNr Bases Ribosa Ribonucleótido trifosfato 6

7 Transcripción: Estructura de la burbuja de transcripción 7

8 Transcripción 8

9 ARNm transcrito es copia de una hebra 9

10 Expresión génica El proceso de transcripción Colegio Diocesano San Atón Biología 1 INICIACIÓN La ARN-polimerasa reconoce los centros promotores. Luego abre la doble hélice para que los ribonucleótidos se unan a la cadena molde. TERMINACIÓN 3 Cola poli-a Poli-A polimerasa 2 ARN ELONGACIÓN La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. En procariontes son secuencias palindrómicas. En eucariontes La ARN-polimerasa avanza en sentido 3-5 y sintetiza el ARN en sentido Cadena molde de ADN (transcrita) ARN - polimerasa Punto de corte Señal de corte Cadena inactiva de ADN 10

11 Transcripción en procariotas: ARNpolimerasa 11

12 Transcripción en procariotas: factor σ 12

13 Esquema general de la transcripción en eucariontes ARN -polimerasa Punto de inicio Región a transcribir ADN Centro promotor La ARN-polimerasa se une al centro promotor y comienza la transcripción. Señal de corte (AAUAA) Procesos pos-transcripcionales Caperuza Punto de corte ARN m inmaduro La polimerasa sigue transcribiendo un tiempo y después se para. Caperuz a Degradación del ARN sobrante Poli-A polimerasa Final de la transcripción ARN mensajero para traducir Poli-A 13

14 14

15 Transcripción: secuencias de inicio 15

16 Transcripción: Activación de la ARN polimerasa II 16

17 Trasncripción en eucariotas y maduración de ARNm 17

18 La maduración del ARN ORGANISMOS PROCARIONTES Transcrito primario Los ARNm no sufren proceso de maduración. Los ARNt y ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene muchas copias del ARNt y ARNr. ORGANISMOS EUCARIONTES Intrón ARNt ARNasa ARNr Exón Intrón Exón Bucle RNPpn Punto de unión entre exones Exón Bucle El ARN transcrito primario sufre un proceso llamado splicing mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones. 18

19 Maduración de los ARNr: eliminación de intrones 19

20 Maduración de los ARNm: eliminación de intrones

21 Maduración del ARNm de la ovoalbúmina 21

22 Maduración de los ARNribosómicos 22

23 Maduración de los ARNribosómicos 23

24 Maduración del ARNt 24

25 Expresión génica Código genético Colegio Diocesano San Atón Biología UAA UAG UGA AUG Iniciación Terminación Ej. Qué aminoácido está codificado por el codón GAC? 25

26 Características del código genético 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 26

27 Expresión génica El proceso de traducción LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Colegio Diocesano San Atón Biología 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 AMINOÁCIDO POLIPÉPTIDO ARNt Por donde se une al Como la AMINOACIL-ARNt -SINTETASA Donde se une el ANTICODÓN EXTREMO 3 Tiene dos zonas 27

28 Ribosomas: concepto, estructura y tipos El orgánulo encargado de llevar a cabo la síntesis de proteinas es el ribosoma. Todos los ribosomas están constituidos por ARNr + proteinas. Existen diferencias en la composición entre ARNr en procariotas y eucariotas. Los ribososmas en procariotas (70S) están constituidos por una subunidad pequeña (30S) y una subunidad grande (50S) Los ribosomas en eucariotas están (80S) están constituidos por una subunidad pequeña (40S) y una subunidad grande (60S) Para iniciar el proceso de traducción es necesario que la cadena de ARNm se una a la subunidad pequeña en ambos casos. Una vez unidos se produce el acoplamiento de la subuinidad grande. El ARNr que forma parte de los ribosomas es transcrito como ARN transcrito primario y después sufre procesos de maduración, dando lugar a los distintos tipos de ARNr. En eucariotas el ARNr es transcrito por la ARNpolimerasa I (excepto el ARNr 5S que es transcrito por ARNpolimerasa III). 28

29 ARNtransferente En el proceso de traducción, además del ARNm y de ARNr, que forma parte de los ribosomas, interviene el ARNt que es el encargado de transferir los aminoácidos correspondientes en función del triplete de nucleótidos del ARNm. Las moléculas de ARNt tienen cuatro brazos denominados: - D - T - aceptor de aminoácidos - anticodón En el brazo aceptor de aminoácidos se situan los dos extremos de la cadena. El extremo 3 tiene la secuencia CCA, y el aminoácido se une a este en el último nucleótido. El extremo 5 siempre acaba con un nucleótido de guanina. El brazo anticodón lleva un triplete de bases nitrogenadas específico de cada tipo de ARNt. Este triplete se denomina anticodón y su función es unirse con el correspondiente codón complementario. 29

30 ARNtransferente: estructura tridimensional 30

31 Activación del aminoácido Esta fase previa tiene lugar en el citoplasma y no en los ribosomas. Cada aminoácido se une a una molécula de ARN específico. Es necesario aporte de energía de ATP (se rompe en AMP+Ppi) El aminoácido queda unido por su extremo carboxilo al grupo hidroxilo del extremo 3 del último nucleótido. Aminoácido + ATP +ARNt aminoacil ARNt + AMP + PPi Las enzimas que lleva a cabao esta unión son las aminoacil ARNt sintetasas. 31

32 Reacción de activación de un aminoácido + + Aminoacil ARNt -sintetasa Aminoácido Ácido aminoaciladenílico + ARNt x La unión se realiza en el extremo 3 del ARNt Existen al menos aminoacil-arntsintetasas, una para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas Aminoácil -ARNt x 32

33 Actívación del aminoácido: enlace formado 33

34 Fases de la traducción: Iniciación Es la fase donde todo el sistema se prepara para llevar a cabo la síntesis de proteinas.para ello el ARNm se tiene que unir a las dos subunidades de ribosomas. 1.- El ARNm se une por su extremo 5 a la subunidad menor del ribosoma gracias a un factor proteico de iniciación (IF3) 2.- Se produce la unión del primer aminoacilarnt por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias del anticodón del ARNt y la del codón del ARNm. El primer codón o codón de iniciación es siempre 5 AUG 3 y por tanto el anticodón del primer ARNt es UAC. En la fijación entre ambos ARN interviene otro factor de iniciación (IF2). 3.- Se produce el acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma, interviene el factor de iniciación (IF1). Se forma el complejo de iniciación que es la maquinaria sinteizadora activa. El proceso de iniciación precisa de energía que se obtiene de la hidrólisis de GTP. GTP GDP + P La porción de ARNm cubierta por el ribosoma, corresponde a 6 nucleótidos, dos codones. Sobre el primero, sitio P, se siitua el primer aminoacil ARNt. En el sitio A se localiza el segundo codón, donde se unirá el segundo aminoacil ARNt. 34

35 E P A Expresión génica Colegio Diocesano San Atón Biología Síntesis de proteínas: iniciación y elongación INICIACIÓN Codón iniciador (AUG) ARNm Posición E Posición P A ARNt - Met E P Subunidad grande Posición A Aminoacil -ARNt Desplazamiento del ribosoma 5 3 Enlace peptídico El aminoácido se libera del ARNt ELONGACIÓN 35

36 Fases de la traducción: Inicio, factores necesarios Factores proteicos necesarios para el inicio de la traducción en bacterias y en células eucariotas. 36

37 Fases de la traducción: Elongación (1) En esta etapa la cadena polipeptídica se sintetiza por la unión de sucesivos aminoácidos que se van situando en el ribosoma por los correspondientes ARNt. Es el ribosoma el que se desplaza a lo largo de la cadena de ARNm. Se diferencian tres subetapas: 1.- Unión de un aminoacil ARNt al sitio A. Solo es posible si el anticodón del ARNt es complementario del codón del ARNm que se encuentra allí. En esta subetapa se precisa la hidrólisis de GTP para proporcionar la energia necesaria y dos factores de elongación proteicos (EF-Ts y EF-Tu) 37

38 Fases de la traducción: Elongación (2) 2.- Formación del enlace peptídico. Una vez anclados los dos aminoacil ARNt, uno el sitio P y ottro en el sitio A, se produce la unión entre los dos aminoácidos gracias a la enzima peptidil transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma. Al unirse el primer aminoácido (formil metionina) al segundo, se desprende de su ARNt, que se libera del ribosoma. Se forma un dipéptido que permanece unido al segundo ARNt, el cual se localiza en el sitio A. 38

39 Fases de la traducción: Elongación (3) 3.- Translocación del dipéptido al sitio P. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5 3. El segundo codón con el ARNt fijado sobre el pasa al sitio P, quedando libre el sitio A, que es ocupado por el tercer codón del ARNm. Se fija un nuevo aminoacil ARNt con la participación de otro factor de elongación (EF- G) Se forma un nuevo enlace peptídico entre ese aminoácido y el dipéptido situado en P, con lo que el proceso de translocación cominza de nuevo. Mientras el ribosoma recorre el ARNm, los sucesivos aminoácil ARNt se van colocando en el sitio A y van incorporando su aminoácido correspondiente a la cadena peptídica en formación. En la fijación de cada ARNt se utiliza la energía suministrada por la hidrólisis del GTP. 39

40 Fases de la traducción: Terminación Existen tres codones de terminación (UAA,UAG y UGA) en el ARNm para los que no hay ARNt. Cuando el ribosoma llega a uno de ellos, no se coloca ningún aminoacil ARNt en el sitio A y la cadena peptídica se acaba. En esta fase interviene dos factores de terminación: R1F para los codones de terminación UAA y UAG R2F para los codones de terminación UAA y UGA. Al situarse en el sitio de terminación, estos factores hacen que la enzima peptidil transferasa libere el péptido del ARNt al que está unido. Se utiliza la energía que libera GTP. Como consecuencia de la traducción se liberan: - la cadena proteica, que mientras se ha ido sintetizando ha ido adquiriendo la estructura secundaria y terciaria. - las dos subunidades ribosómicas separadas. - el ARNm que puede ser utilizado nuevamente. 40

41 Síntesis de proteínas: Terminación ARNm Codón de terminación (UAA, UGA, UAG) ARNm Separación de las dos subunidades del ribosoma ARNt Porción final de la cadena proteica Factor de liberación A medida que se van sintetizando, las proteínas adquieren la estructura secundaria y terciaria que les corresponde. 41

42 Traslación de los ribosomas La velocidad de síntesis proteica es alta, pudiendo unir hasta 1400 aminoácidos por minuto. Las cadenas de ARNm sueles ser leidas por más de un ribosoma simultáneamente. Esto permite una mayor efectividad y un ahorro considerable de tiempo en la síntesis de muchas copias de la misma proteina. 42

43 Polirribosomas 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. ARNm Proteína en formación Microfotografía electrónica (MET, falso color) de un polirribosoma. Polirribosomas Ribosoma 43

44 Dirección de traslación de los polirribosomas 44

45 Polirribosomas a microscopio electrónico 45

46 Transcripción y traducción simultáneas en eucariotas 46

47 El efecto de los antibióticos El efecto de los antibióticos. 47

48 Regulación de la expresión génica La regulación de la expresión génica se realiza fundamentalmente sobre el proceso de transcripción, ya que si se controla la formación de ARNm se controla también la síntesis de proteínas correspondientes. 48

49 Regulación por el modelo del operón Sitio de unión del activador Sitio de unión del represor (operón) Gen operador. Es el lugar del ADN donde puede unirse una proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales. Se sitúa justo delante de estos. Secuencias reguladoras Genes transcritos como unidad Gen regulador. Sintetiza la proteína reguladora. Puede encontrarse en otro lugar distinto a los otros genes del operón. Gen promotor. Está constituido por la secuencia de ADN donde se une la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Genes estructurales. Contienen la información para la síntesis de enzimas (proteínas) de la ruta metabólica. 49

50 Modelo del operón ARN-polimerasa Promotor Operador Genes estructurales Dirección de la transcripción Gen regulador Codifica la proteína reguladora Represor activo Inductor (alolactosa) EL OPERÓN LACTOSA Complejo inactivo represor-inductor Promotor Operador ADN ADN Transcripción bloqueada La ARN polimerasa no puede unirse al ADN Transcripción desbloqueada 50

51 Regulación de la expresión génica Regulación negativa (la unión del represor inhibe la transcripción) Regulación positiva (la unión del activador facilita la transcripción) La molécula señal c causa la separación de la proteína reguladora del ADN La molécula señal c causa la unión de la proteína reguladora del ADN 51

52 La regulación hormonal: hormonas esteroideas Proteína receptora Unión del complejo al ADN celular NÚCLEO Transcripción Complejo hormona-receptor ARNm Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio Proteínas Traducción de las proteínas inducidas por esteroides CITOPLASMA Cada hormona tiene acceso a todas las células, sin embargo, sólo responden las células diana, que contienen un receptor específico en su citoplasma. 52

53 Expresión génica Genoma en eucariontes Biología No existe relación directa entre la complejidad del organismo y la cantidad de ADN. La mayor parte del ADN no codifica proteínas: ADN no codificante Una parte del genoma se encuentra en los cloroplastos y las mitocondrias. ADN de secuencia simple ADN repetitivo intermedio ADN de intrones ESTRUCTURA DE UN GEN EN EUCARIONTES Gen regulador Gen Promotor Operador Exones: secuencias codificantes Intrones 53

54 Objetivos del proyecto genoma humano Objetivos del proyecto genoma humano 54