t15-deladnalasprote

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
(EXPRESIÓN GÉNICA)
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA Y SU EXPRESIÓN
3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
4.- TRANSCRIPCIÓN: SÍNTESIS DEL ARN
5.- MADURACIÓN DEL ARN
6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
9.- RESUMEN: Replicación / Transcripción / Traducción
Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
(EXPRESIÓN GÉNICA)
ANTECEDENTESPAU:
2002–Junio:traducción,etapasyexplicación;
códigogené;co;
2004–Junio:transcripciónytraducción,definición;
2004–Sep;embre:transcripciónytraducción,iden;ficaciónenesquemayexplicación;
2005–Sep;embre:códigogené;co,definiciónycaracterís;cas;
reparacióndelADN,cómoseproduce;
2006–Junio:transcripciónytraducción,definiciónylocalizaciónintracelular;
ARN,;posyfunciónenlasíntesisdeproteínas;
formacióndeADNapar;rdeARN;
2008–Sep;embre:códigogené;co,caracterís;cas;
2011–Junio:iden;ficacióndelatraducciónenEucariotas;
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
-.1ª Evidencia.Experiencia de Griffith (1928)
Las bacterias muertas de
Streptococcus pneumoniae tenía
un “principio transformante” que
era captado por las bacterias vivas
no virulentas y transformaban sus
caracteres hereditarios
convirtiéndolas en virulentas.
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
-.2ª Evidencia.Experiencia de Avery, McLeod y McCarthy (1944)
Aislaron a partir de los extractos de neumococos S (virulentos) muertos por calor
cinco fracciones distintas:
polisacáridos, lípidos, proteínas, ARN y ADN
Con cada una de ellas intentaron transformar las células
R vivas (no virulentas) ! S (virulentas)
Comprobaron que ninguna de las fracciones era capaz de transformarlos excepto la
fracción que contenía ADN.
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
-.3ª Evidencia.Experiencia de Hershey y
Chase (1952)
Experiencia con bacteriófagos
en el que se utilizaron marcajes
radiactivos con
P32 (ADN) y S35 (proteínas)
Se tuvo la certeza que el ADN
era el portador de la
información
2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
" GENOMA :
Material genético (ADN) de un organismo que se almacena en forma de GENES
" GEN :
Fragmento de ADN que lleva información para que unos determinados
aminoácidos se unan en un orden concreto y formen una proteína.
Es una unidad de información hereditaria que se expresa determinando una
característica observable o FENOTIPO.
G. Beadle y E. Tatum
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
produciendo mutaciones con rayos X
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA,
pero…
¿Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS?
A) PROCARIOTAS:
" 1 solo cromosoma circular
" Genes continuos (no existen zonas sin información)
" Plásmidos ! moléculas pequeñas de ADN circular que se replican
independientemente
B) EUCARIOTAS:
" ADN se encuentra en el núcleo
" Mayor cantidad de ADN que en Procariotas
" Hay ADN repetitivo (secuencias ↑ repetidas que no codifican proteínas)
" En los genes hay intrones (“sin información”) y exones (“con
información”)
" ADN se asocia a proteínas (histonas)
" Mitocondrias y Cloroplastos tienen ADN circular (≈ Procariotas)
3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
ORGANICEMOS LAS IDEAS:
1.- El ADN ha de ser “leído” y “traducida” su información para ver qué aminoácidos
se sintetizan.
2.- Un “intermediario” “lee” esa información y se la “copia”
3.- A partir de la información del “intermediario”, se sintetizan los aminoácidos
ARNt
ADN
TRANSCRIPCIÓN
REPLICACIÓN
PROTEÍNA
ARNm
NÚCLEO
TRADUCCIÓN
RIBOSOMAS
Este esquema fue considerado durante muchos años el
“dogma central de la biología molecular”
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
• 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 o transcripción inversa.
REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
Transcripción
ARN
ADN
Traducción
Transcripción
inversa
Replicación
PROTEÍNAS
Replicación
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
RESUMIENDO…
• • • • • 1: replicación del ADN
2: transcripción
3: traducción
4: transcripción inversa (en algunos virus, p.e. VIH)
5: replicación de ARN (en algunos virus)
5
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
PROCARIOTAS
EUCARIOTAS
4.- TRANSCRIPCIÓN
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
# La síntesis de ARN o transcripción necesita:
CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE
• ARN polimerasa I ARNr
ENZIMAS ! ARN -POLIMERASAS En eucariotas
• ARN polimerasa II ARNm
• ARN polimerasa III
RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U
# FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :
ARNt y ARNr
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
5’
3’
ARN polimerasa
5’
3’
A U G U G C
T A C A C G
G
C
G C U
C G A
G C
C G
ARN
ADN
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
ARNpolimerasa
T
A
C
G
A
U
G C
A
A
C
C
G
T
T
G
C
A
U U
G
G C
A
A
C
G
U
C
G
A
T
C
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
ARNpolimerasa
m-GTP
T
A
A
U
C
G
A
A
G C
U
U
C
C
G
T
T
G
C
A
G G C
A
A
C
G
U
C
G
A
T
C
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
Poli A-polimerasa
m-GTP
A
U
G C
U
C
G
U
G
U
A
ARNm precursor
TRANSCRITOPRIMARIO
MADURACIÓN
G
A
A
A
A
A
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
ARN -polimerasa
Punto de inicio
Región a transcribir
ADN
Centro promotor
La ARN-polimerasa se une al centro
promotor y comienza la transcripción.
Continúa la transcripción del gen
Final de la transcripción
Señal de corte (AAUAA)
Caperuza
Procesos
pos-transcripcionales
ARNm inmaduro
Punto de corte
La polimerasa sigue transcribiendo
un tiempo y después se para.
Degradación del ARN sobrante
Caperuza
Poli-A
Poli-A polimerasa
ARN mensajero para traducir
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
5.- MADURACIÓN DEL ARN
# ORGANISMOSPROCARIONTES
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.
ARNasa
ARNt
# ORGANISMOSEUCARIONTES
Intrón
Exón
Exón
RNPpn
Bucle
Exón
Intrón
Bucle
Punto de unión
entre exones
ARNr
El ARN transcrito primario sufre
un proceso de “corte y empalme”
por la ribonucleoproteína pequeña
nucleolar (RNPpn) llamado splicing
mediante el que se eliminan los
intrones y se unen los exones.
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
MADURACIÓN en Eucariotas:
" 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
" En casi todos los ARNm estudiados, aparece GU (en el punto de corte 5’) y AG
(en el punto de corte 3’) de los intrones
" FUNCIÓN DE LOS INTRONES: no se sabe la función que cumplen
• Existen casos en que un mismo Transcrito Primario produce 2 ARNm
diferentes siguiendo dos procesos de “corte y empalme” distintos
ARNm
maduro
precursor
cola
Cabeza
AUG
AAAAAA
UAG
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
Maduración del ARNm (Visión de conjunto).
Región codificadora del gen
ADN
Promotor
E1
I1
E2
I2
TAC
ATC
Cabeza E1
ARNm
precursor
ARNm
maduro
E3
I1
E2
I2
E3
cola
AAAAAA
AUG
UAG
Cabeza
cola
AAAAAA
AUG
UAG
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
" Es el “diccionario” que traduce el la secuencia de bases del ARN ! aminoácidos
" Incluye 64 tripletes posibles (4 bases organizadas de 3 en 3: 43 = 64) que codifican para 20 aa proteicos, por
lo que cada aa puede ser codificado por más de un triplete.
UAA
UAG
UGA
AUG
Iniciación
Terminación
Ej. ¿Qué aminoácido está codificado por
el codón GAC? ¿y si fuese GAG?
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO
# UNIVERSAL
# DEGENERADO
• Compartido por todos los organismos conocidos
incluso los virus.
• A excepción de la metionina y el triptófano, un
aminoácido está codificado por más de un codón.
• El código ha tenido un solo origen evolutivo.
• Esto es una ventaja ante las mutaciones.
• Existen excepciones en las mitocondrias y
algunos protozoos.
# CARECE DE SOLAPAMIENTO
# SIN IMPERFECCIÓN
• Los tripletes se disponen de manera lineal y
continua, sin espacios entre ellos y sin compartir
bases nitrogenadas
• Cada codón solo codifica a un aminoácido.
Posibilidad de solapamiento
Met
Gli
Tre
His
Ala
Met
Codones de iniciación
Fen
Leu
Ala
Leu
Solapamiento
Pro
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN.
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
necesita
RIBOSOMAS
Formados por
AMINOÁCIDOS
ARN MENSAJERO
Donde se une el
Por donde
se une al
SUBUNIDAD
PEQUEÑA
Tienen
tres
lugares
SITIO P
SITIO E
AMINOACIL-ARNt
-SINTETASA y los
GRUPOS FOSFATO
ANTICODÓN
Donde se sitúa el
SITIO A
ARN DE
TRANSFERENCIA
Como la
Donde se unen los
SUBUNIDAD
GRANDE
ENZIMAS Y
ENERGÍA
ARNt con el aa
POLIPÉPTIDO
ARNt
Donde se
une el
EXTREMO 3’
Tiene
dos
zonas
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
UnióndecadaaaconsuARNtcorrespondientemediantelaintervencióndeunaenzima
específica,laaminoacilARNt-sintetasa,ylaenergíaaportadaporelATP.
+
Aminoacil ARNt -sintetasa
+
Aminoácido
Ácido aminoaciladenílico
+
ARNtx
La unión se realiza en
el extremo 3’ del ARNt
Existenalmenos20aminoacil-ARNt-sintetasas,una
paracadaaminoácido.Sonenzimasmuyespecíficas
Aminoácil -ARNtx
Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el
ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína. Se les
une entonces el complejo formado por el ARNt-metionina (Met) (Eucariotas) o ARNt-N formil
Metionina (f-Met) (Procariotas). La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón
del ARNt que transporta la metionina (Met).
Subunidad menor del ribosoma
P
5’
A
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
UAC
Anticodón
Codón
ARNt
1er aminoácido
ARNm
Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor completándose el
ribosoma. El complejo ARNt-aminoácido2 , la glutamima (Gln) [ARNt-Gln] se sitúa enfrente del
codón correspondiente (CAA). La región del ribosoma a la que se une el complejo ARNt-Gln
se le llama región aminoacil (A).
Subunidad menor del ribosoma
P
A
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
UAC GUU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación II: Se forma el enlace peptídico entre el grupo carboxilo de la metionina (Met)
y el grupo amino del segundo aminoácido, la glutamina (Gln).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
UAC GUU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera.
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GUU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación IV: El ARNm se traslada, de tal manera que el complejo ARNt-Gln-Met queda
en la región P (peptidil) del ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la
entrada del complejo ARNt-aa3
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GUU
AAAAAAAAAAA
3’
Elongación V: Entrada en la posición correspondiente a la región aminoacil (A) del
complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GUU ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GUU ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina
(Glu).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARNt3-CysGlu-Met en la región peptidil del ribosoma.
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
ACG
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la
leucina.
P
A
ARNm
AAAAAAAAAAA 3’
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
ACG
AAU
Leu
Elongación X: Este se sitúa en la región aminoacil (A).
P
A
ARNm
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
AC G AAU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación XI: Unión del péptido Met-Gln-Cys con el 4º aminoácido, la leucina (Leu).
Liberación del ARNt de la leucina. El ARNm se desplaza a la 5ª posición
ARNm
P
A
5’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
AAU
AAAAAAAAAAA 3’
Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg).
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
AAU
GCU
Elongación XIII: Unión del péptido Met-Gln-Cys-Leu con el 5º aminoácido, la arginina
(Arg). Liberación del ARNt de la leucina (Leu). El ARNm se desplaza a la 6ª posición, se trata
del un codón de finalización o de stop (UAG, UGA o UAA)
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GCU
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian
hasta nueva síntesis y se separan del ARNm.
ARNm
P
A
5’
AAAAAAAAAAA 3’
AU G CAA U G C U UA C GA UAG
GCU
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del
hialoplasma.
ARNm
AAAAAAAAAAA 3’
5’
A U G C A A U G C U U A C G A U A G
Polirribosoma o polisoma. Si el ARNm que se tiene que traducir es largo, puede
ser leído por más de un ribosoma a la vez.
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
INICIACIÓN
E
P
A
Codón iniciador (AUG)
Posición E
ARNm
Posición P
La subunidad pequeña del
ribosoma se une al ARNm
colocando el codón de iniciación
AUG en el sitio P.
A continuación se coloca el
primer aminoacil-ARNt con el aa
N-f-Met en procariotas y el aa
Met en eucariotas.
ARNt - Met
Subunidad grande
Finalmente se une la subunidad
grande del ribosoma.
Posición A
ELONGACIÓN
Se produce el alargamiento del péptido. Entra un nuevo amnoacil-ARNt complementario al codón del sitio A.
Se formará un enlace peptídico entre los dos aa presentes gracias a la peptidil-transferasa.
A continuación se trasloca el ribosoma en sentido 5’-3’ sobre 3 bases del ARNm, se libera el sitio A y el
segundo ARNt se sitúa en el sitio P.
Entra un nuevo aminoacil-ARNt en A. Se forma un nuevo enlace peptídico y se repite el proceso.
Desplazamiento del ribosoma
5’
3’
Enlace peptídico
El aminoácido se
libera del ARNt
Aminoacil -ARNt
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
TERMINACIÓN
Se produce cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UGA o UAG), entonces entra en
el sitio A un factor de liberación proteico que separa el péptido del último aminoacil-ARNt.
Todos los elementos se separan y la proteína adquiere su estructura tridimensional.
Codón de terminación
(UAA, UGA, UAG)
ARNm
Separación de las dos
subunidades del ribosoma
ARNm
ARNt
Porción final de la
cadena proteica
Factor de
liberación
Proteína en
formación
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.
Ribosoma
ARNm
Tema 15: DEL ADN A
LAS PROTEÍNAS
8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
Una célula no sintetiza todas las proteínas que es capaz, sino sólo aquellas que necesita
según su función y momento vital. Es necesario un control que es muy complejo pero que en
gran medida ocurre en la transcripción.
# EN PROCARIOTAS: Modelo del Operón (Jacob & Monod)
Promotor: es una secuencia de nucleótidos en los que se une la ARN-pol para iniciar la transcripción.
Genes estructurales: conjunto de genes relacionados con una misma función que se transcriben
conjuntamente generando un ARN policistrónico.
Operador: secuencia de nucleótidos situados entre el promotor y los genes estructurales.
Gen regulador: codifica una proteína que actúa como represor uniéndose al operador e impidiendo
que la ARN-pol pueda iniciar la transcripción.
ARN-pol
EL OPERÓN LACTOSA
Promotor
Operador
Genes
estructurales
Gen regulador
Inductor
(alolactosa)
Complejo inactivo
represor-inductor
Represor
activo
Promotor
Operador
ADN
Transcripción bloqueada
La ARN-pol no puede unirse al ADN
Transcripción desbloqueada
Si hay lactosa en el medio, la
bacteria necesita metabolizarla y
para ellos requiere 3 enzimas. Es
un derivado de la lactosa quien se
une al represor y lo inactiva de
manera que deja libre el ADN y
permite el trabajo de la ADN-pol.
Tema 15: DEL ADN A
LAS PROTEÍNAS
# REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA en EUCARIOTAS
Es un proceso mucho más complejo y menos conocido.
Es importante destacar que es esta regulación la que permite que, a partir de un mismo
paquete de genes, se origine la gran diversidad de tipos celulares presentes en un organismo
pluricelular complejo.
Promotor: es una secuencia de nucleótidos que suele estar situado cerca del gen que se va a
transcribir. Tiene un punto de unión para proteínas activadoras que permiten la unión de la ARN-pol.
Elementos activadores: controlan la transcripción y pueden estar muy distantes del gen. Suelen ser
activados para su transcripción por otras proteínas.
Proteínas activadoras: actúan uniéndose al promotor y a los elementos activadores, permitiendo
que a continuación se una la ARN-pol. Pueden activar múltiples elementos a la vez.
LA REGULACIÓN HORMONAL
Muchas hormonas actúan como mensajeros químicos que controlan la expresión génica. Es el caso
de las hormonas esteroideas que pueden entrar en cualquier tipo de célula pero sólo en aquellas
que presentan un receptor específico forman un complejo hormona-receptor que actúan como
Unión del complejo
activador de la transcripción.
Proteína receptora
del citoplasma
al ADN celular
Transcripción
Hormonas esteroideas
en el sistema circulatorio
Complejo
hormona-receptor
ARNm
9.- RESUMEN y ACTIVIDADES
REPLICACIÓN
Moléculas que
intervienen
Moléculas
resultantes
Lugar de la célula
donde se produce
Momento del ciclo
celular en el cual
tiene lugar
Función biológica
Particularidades
en procariotas
Tema 15: DEL ADN A LAS
PROTEÍNAS
TRANSCRIPCIÓN
TRADUCCIÓN