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Sesión 11 La expresión y regulación de los genes Naturaleza de la información Genética • El ADN contiene todas las instrucciones para generar un nuevo individuo • El órden linear o la secuencia de las cuatro bases (A, T, G, C) en la cadena del ADN es la información genética que se dá en sus fragmentos llamados genes • gen • Fragmento funcional de una secuencia de bases del ADN • Especifica un ARN o un producto protéico Conversión de un Gen en ARN • Transcripción convierte la información de un gen en ARN - convierte la información de un código a otro -. (Ejemplo de idioma indú a idioma hebreo) • Las enzimas usan la secuencia de nucleótidos de un gen como un templado o molde para sintetizar una cadena de ARN • Transcripción Proceso por el cual se ensambla un ARNm utilizando como base la secuencia de un gen. Tres Tipos de ARN • Hay tres tipos de ARN que tienen un papel en la síntesis protéica: mensajero, ribosomal y de transferencia • ARN Ribosomal (ARNr) es el componente principal de los ribosomas, que son las estructuras dentro de las cuales se construyen las cadenas de polipéptidos • ARN de Transferencia (ARNt) entrega los aminoácidos a los ribosomas en un órden especificado por el ARN mensajero (ARNm) Conceptos Clave • ARN mensajero (ARNm) • Tipo de ARN que lleva el mensaje del ADN para la construcción de una proteína • ARN ribosomal (ARNr) • Tipo de ARN que constituye parte de los ribosomas • ARN de transferencia (ARNt) • Tipo de ARN que transporta los aminoácidos al ribosoma durante la traducción. Estructura del ARN ARN es una cadena simple de cuatro clases de nucleótidos • Como el ADN, un nucleótido del ARN tiene tres grupos fosfato, un azúcar, y una de cuatro bases. Pero difiere en: • El azúcar en el ARN es la Ribosa, no la Desoxirribosa • El ARN tiene una base, el “uracilo” , en lugar de la timina Un nucleótido del ARN base (guanina) Grupo de 3 fosfatos azúcar (ribosa) Un nucléotido del ARN nucléotido: guanina (G), o guanosina trifosfato (GTP) Un nucleótido del ADN base (guanina) Grupo de 3 fosfatos azúcar (desoxiribosa) Un nucleótido del ADN: guanina (G), o desoxiguanosina trifosfato (dGTP) adenina A ADN ADN guanina G citosina C timina T Bases del ADN Par de bases ARN Ácido ribonucleico ARN Esqueleto de azúcar y fosfato adenina A guanina G citosina C uracilo U Bases del ARN Comparación entre el ADN y el ARN ADN ARN adenina A adenina A Base del nucleotido Esqueleto de azúcar guanina G citosina C citosina C Par de Bases timina T Bases del ADN guanina G . uracilo U Bases del ARN Conceptos Clave De ADN è ARN èProteína • La secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica corresponde a una secuencia de bases nucleotídicas en el ADN, que se llama gen • La conversión de información del ADN a las proteínas se dá en dos pasos: transcripción y traducción Expresión de Genes Transcripción y Traducción son parte de la expresión génica, un proceso por el cual la información codificada por un gen, es convertida en una parte estructural o funcional de una célula u organismo. • Expresión génica • Proceso por el cual la información dentro de un gen se convierte en un ARN o en un producto protéico Transcripción • Durante la transcripción, el ADN actúa como templado sobre la cual se ensambla una cadena de nucleótidos de ARNm (transcrito) • Cada nuevo ARN es complementario en secuencia al templado de ADN: G se aparea con C; A con U (uracilo) • La ARN polimerasa agrega nucleótidos al final de un transcrito en crecimiento ARN polimerasa Transcripción Región de un gen ARN Secuencia del promotor en el ADN 1 La ARN polimerasa se une a un promotor en el ADN. La polimerasa se posiciona cerca de un gen. En la mayoría de casos la secuencia de bases del gen ocurre en sólo una de las dos cadenas de ADN. Sólo la cadena de ADN complementaria a la secuencia será transcrita en ARN. ADN enrollándose ADN desenrollándose 2 La polimerasa empieza a moverse a lo largo del ADN y lo desenrolla. Conforme avanza, une nucleótidos de ARN en una cadena cuyo órden es especificado por la secuencia de bases del ADN Dirección de la transcripción 3 La secuencia de bases de la nueva cadena de ARN es complementaria a la secuencia de bases de su cadena “molde o templado”, es decir, es una copia ARN del gen. Finalizando la Transcripción Cuando la polimerasa llega al final de un gen, se liberan el ADN y la nueva cadena de ARN Tipicamente, muchas polimerasas transcriben una región particular de un gen al mismo tiempo, entonces, muchas nuevas cadenas de ARN pueden ser producidas muy rápidamente Conceptos Clave • ARN polimerasa • Enzima que lleva a cabo la transcripción • Promotor • Secuencia en el ADN, a la cual se une la ARN polimerasa Transcripción de un Gen • Tres genes cercanos uno del otro en el mismo cromosoma están siendo transcritos simultáneamente Transcritos del ARN Molécula de ADN Fig. 9.5, p. 141 Modificaciones Post-Transcripcionales • En los Eucariontes la transcripción y procesamiento del ARN se llevan a cabo en el núcleo, para después enviarlo al citoplasma. • Intrones son secuencias de nucleótidos que son removidas del ARN nuevo. Los intrones se localizan entre los exones. • Exones son secuencias que permanecen en el ARN • Procesamiento alternativo. Procesamiento del ARN en el cual algunos exones son removidos o unidos en varias combinaciones. Hace posible que un gen codifique para más de una proteína. Modificaciones Post-Transcripcionales • Los nuevos transcritos, que se convertirán en ARNm, son modificados después del rearreglo • Una “caperuza” de guanina modificada se une al extremo 5’ de cada ARNm, al cual ayudará en su unión a un ribosoma. • Una cola de entre 50 y 300 adeninas (cola poli-A) se añade en el extremo 3’del ARNm Modificaciones Postranscripcionales gen promotor exón intrón exón intrón exón ADN transcripción exón intrón exón intrón exón nuevo transcrito Procesamiento del ARN exón exón exón ARN terminado caperuza cola poly-A Conversión del ARNm en Proteína Traducción convierte la información de un ARNm en una proteína (traduce el código) • El ARNm lleva el mensaje codificado en la secuencia de los conjuntos de tres bases nucleotídicas (tripletas), para construir la proteína • El ARN es descodificado (traducido) en una secuencia de aminoácidos, que resulta en una cadena de polipéptidos, que se pliega en una proteína • Traducción • Proceso por el cual se ensambla una cadena de polipéptidos, en un órden especificado por un ARNm ARN y Código Genético Tres tipos de ARN interactúan para la traducción de la información del ADN en una proteína: • • • ARN mensajero ARN de transferencia ARN ribosomal Código Genético La información para construir una proteína en el ARNm consiste de una secuencia de tres bases en el ARNm (codón); cada uno es un código para un aminoácido particular. Las cuatro bases A, C, G y U pueden ser combinadas en 64 diferentes codones, y esto constituye el código genético Ejemplo: AUG codifica para el aminoácido metionina (met) y UGG codifica para triptofano (trp) Conceptos Clave • Codón • Una tripleta de bases de nucleótidos en el ARNm, que codifica para un aminoácido o para una señal de “alto” durante la traducción • Código genético • Conjunto completo de sesenta y cuatro codones El Código Genético Codones y Aminoácidos • Hay sólo veinte clases de aminoácidos en las proteínas, por lo que algunos aminoácidos son determinados por más de un codón. • Algunos codones son señales para el inicio y para el final de una secuencia codificadora de proteínas: • AUG (metionina) inicia la traducción • UAA, UAG y UGA son señales de terminación • El órden de los codones del ARNm determina el órden de aminoácidos en el polipéptido El Código Genético ADN, ARNm y Proteínas Una región de gen en ADN transcripción codón codón codón ARNm traducción metionina (met) tirosina (tir) serina (ser) Secuencia de aminoácidos Estructura de los Ribosomas túnel Subunidad mayor Subunidad menor Ribosoma intacto • Una cadena de polipéptido sale a través del tunel conforme es ensamblada por el ribosoma Estructura del ARNt Cada ARNt tiene dos sitios de unión: • Una tripleta de pares de bases (anticodón) que se unen al codón del ARNm • Otro sitio de unión que se une al aminoácido especificado por el codón Los ARNs con diferentes anticodones llevan los aminoácidos específicos al ribosoma durante la traducción de un ARNm Estructura del ARNt anticodón Sitio de unión al aminoácido A B Traduciendo el Código: ARN a la Proteína • La traducción convierte la información llevada por un ARNm en un polipéptido • La traducción ocurre en el citoplasma • La traducción procede en tres etapas: inicio, elongación y terminación Pasos de la Traducción Codón de iniciación (AUG) primer aminoácido de un polipeptido 1 La subunidad del ribosoma y el ARNt convergen en un ARNm. Un segundo ARNt se une a un segundo codón 3 Se libera el primer ARNt y el ribosoma se mueve al siguiente codón. Un tercer ARNt se une al tercer codón. 5 Se libera el segundo ARNt y el ribosoma se mueve al siguiente codón. Un cuarto ARNt se une al cuarto codón. Enlace peptídico 2 Se forma un enlace peptídico entre los dos primeros aminoácidos. 4 Se forma otro enlace peptídico entre el segundo y tercer aminoácidos. 6 Se forma otro enlace peptídico. El proceso se repite hasta que el ribosoma encuentre una señal de “terminación” en el ARNm. Vista General de la Traducción Transcripción polisomas Transporte de ARN subunidades ribosomales ARNt Convergencia de ARNs ARNm Traducción polipéptido ARNm polisomas Polipéptido en formación Polisomas • La transcripción y la traducción en bacterias ocurren en el citoplasma. La traducción empieza antes que la transcripción finalice, por lo que se forman los polisomas Un polisoma (o polirribosoma) es un conjunto de ribosomas asociados a una molécula de ARNm para realizar la traducción simultánea de una misma proteína Genes mutados y sus productos protéicos Si una mutación cambia las instrucciones genéticas codificadas en el ADN, puede resultar un producto genético diferente • Ejemplo: La Hemoglobina consiste de cuatro polipéptidos (globinas) que envuelven un grupo hemo (cofactor que contiene el hierro) • Varios defectos en los polipéptidos pueden ocasionar una anemia Hemoglobina • Hemoglobina consiste de 4 polipéptidos: 2 alfa globinas (azúl) y 2 beta globinas (verdes). En cada globina hay una cavidad que resguarda un grupo hemo. • Las moléculas de Oxígeno se unen al átomo de hierro que se encuentra en el centro de cada hemo (rojo) Defectos en la Hemoglobina • Una deleción en el ADN del gen de la beta globina causa un tipo de anemia llamada beta talasemia, desórden genético con muy baja cantidad de hemoglobina • Una mutación por inserción puede alterar el polipéptido • Deleción: mutación en la cual se pierden uno o más pares de bases • Inserción: mutación en la cual se insertan uno o más pares de bases en la secuencia del ADN Mutaciones • Ejemplo: Pueden cambiar el sentido de una oración: los ama una ama que amo ..L osa mau naa maq uea mo. .Lo sam aun aam aqu eam o.. Deleción de un Par de Bases Defectos en la Hemoglobina (cont.) Otros tipos de mutaciones no ocasionan cambios por movimiento En una sustitución de un par de bases, un nucleótido y su complementario son reemplazados por un par de bases diferentes • Anemia falciforme resulta de una sustitución de una valina por ácido glutámico Sustitución de un Par de Bases Qué ocasiona las Mutaciones? • Hay muchas causas para las mutaciones: • Elementos Transponibles pueden causar mutaciones por inserción • Pueden ocurrir errores durante la replicación del ADN • Agentes ambientales pueden dañar el ADN • Químicos sintéticos o naturales pueden ocasionar mutaciones. Elementos transponibles Segmentos de ADN que pueden moverse en forma espontánea hacia una nueva ubicación en los cromosomas Factores Ambientales y Mutaciones Radiaciones ionizantes (rayos x) que rompen los cromosomas en fragmentos que se pierden durante la replicación del ADN, o que forman radicales libres destructivos. • Radiaciones no-ionizantes (tales como la luz UV) pueden formar dímeros de timina (dos bases de timina adyacente que se unen de manera covalente entre ellas) que pliegan el ADN • Los químicos en el humo del cigarrillo pueden ocasionar un desapareo durante la replicación, o impedir completamente la replicación Conceptos Clave • Mutaciones • Cambios permanentes, a pequeña escala, en la secuencia del ADN que pueden resultar por errores durante la replicación, por la actividad de elementos transponibles, o por exposición a factores ambientales. • Tales mutaciones pueden cambiar el producto del gen Control de la Expresión Génica • Muchos genes controlan la expresión génica que regula el crecimiento y la división celular Cuando esos controles fallan, se dá un cancer Robin Shoulla se diagnosticó con cancer de mama a los 17 años cáncer • El cancer es un proceso en varias etapas en las cuales, las células crecen y se dividen anormalmente, destruyen los tejidos del cuerpo • Los canceres a menudo inician con una mutación de un gen cuyo producto es parte de un sistema de control del crecimiento y división celular Un caso de cáncer de mama Tejidos normales en grupos organizados Células de cáncer en grupos desorganizados Expresión de genes en eucariontes • La Diferenciación ocurre cuando los diferentes linajes celulares empiezan a expresar diferentes subconjuntos de sus genes. Es un proceso por medio del cual las células se especializan. Qué genes utiliza una célula determinará las moléculas que producirá, lo cual a su vez, determinará qué tipo de célula será Expresión de genes en eucariontes Qué genes serán expresados en un momento determinado depende de muchos factores, tales como las condiciones en el citoplasma, el fluido extracelular y el tipo de célula Esos factores afectan los mecanismos de control que gobiernan los pasos de la expresión génica, empezando con la transcripción y finalizando con la formación de un ARN o de un producto protéico. Los controles pueden: iniciar, mejorar o detener la expresión génica Control de Genes en Eucariontes Una variedad de moléculas y de procesos alteran la expresión de genes en respuesta a las condiciones cambiantes tanto dentro como fuera de la célula La expresión de genes selectiva también resulta en la diferenciación, por la cual, los linajes celulares se especializan Videos para revisar https://www.youtube.com/watch?v=fC_h0zWM1us https://www.youtube.com/watch?v=stb1KGHivJo http://biomodel.uah.es/pgh/inicio.htm
