T15 - Del ADN a las proteínas

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

ANTECEDENTES PAU: 2002 – Junio : traducción, etapas y explicación; código genético; 2004 – Junio : transcripción y traducción, definición; 2004 – Septiembre : transcripción y traducción, identificación en esquema y explicación; 2005 – Septiembre : código genético, definición y características; reparación del ADN, cómo se produce; 2006 – Junio : transcripción y traducción, definición y localización intracelular; ARN, tipos y función en la síntesis de proteínas; formación de ADN a partir de ARN; 2008 – Septiembre : código genético, características; 2011 – Junio : identificación de la traducción en Eucariotas; Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS (EXPRESIÓN GÉNICA)

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 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.

-.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

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 P 32 (ADN) y S 35 (proteínas) Se tuvo la certeza que el ADN era el portador de la información

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 G. Beadle y E. Tatum Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 2.- ESTRUCTURA DEL GENOMA 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.

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 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) La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA, pero… ¿Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS?

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 3.- FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA 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 ADN ARN m TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN ARN t PROTEÍNA REPLICACIÓN Este esquema fue considerado durante muchos años el “ dogma central de la biología molecular ” RIBOSOMAS NÚCLEO

ARN ADN Traducción Transcripción Transcripción inversa Replicación 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. Replicación REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

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 RESUMIENDO…

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS PROCARIOTAS EUCARIOTAS

La síntesis de ARN o transcripción necesita: CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE ENZIMAS  ARN -POLIMERASAS RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C, U En eucariotas Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 4.- TRANSCRIPCIÓN FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN : 1 .- INICIACIÓN: ARN-polimerasa reconoce el ADN y abre la doble hélice 2 .- ELONGACIÓN : la ARN-polimerasa lee el ADN molde y sintetiza el ARNm 3 .- TERMINACIÓN : ARN-polimerasa lee en el ADN una señal de terminación. Se cierra la burbuja de ADN y se separa la ARN-polimerasa del ARN transcrito ARN polimerasa I ARNr ARN polimerasa II ARNm ARN polimerasa III ARNt y ARNr

ARN polimerasa 3’ 3’ 5’ 5’ La transcripción: Síntesis de ARNm Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS ARN ADN T A C A C G C C G A C G U C G U G G G C U G C A

T A C G A A C C G T T G C A C A T C INICIACIÓN.- ARN‑polimerasa reconoce el CENTRO PROMOTOR  secuencia corta de bases nitrogenadas que indica el inicio y qué cadena de ADN será la molde ARN-polimerasa abre una pequeña región de la doble hélice de ADN ARNpolimerasa Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS A U G C U U G G C A A C G U G

T A C G A A C C G T T G C A C A T C ELONGACIÓN.- ARN-polimerasa lee la hebra molde 3’  5’ y sintetiza el ARN en 5’  3’ Selecciona el ribonucleótido cuya base es complementaria al ADN molde y lo une mediante enlaces éster EUCARIOTAS: en el extremo 5’ se le añade al ARN una cabeza ( caperuza o líder) de metil‑guanosín-fosfato, necesaria para la traducción ARNpolimerasa Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS A U G C U U G G C A A C G U G m-GTP

TERMINACIÓN.- ARN-polimerasa reconoce en el ADN una señal de terminación, que indica el final de la transcripción PROCARIOTAS: La señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica ( se lee igual de izq  dcha que dcha  izq ) formada por G y C seguida de varias T que forma al final de ARN un bucle EUCARIOTAS: La señal de terminación es la señal de poliadenilación (AAUAAA) La enzima Poli-A‑polimerasa añade en 3’ la cola poli-A (200 Adeninas)  interviene en la maduración y transporte del ARN fuera del núcleo Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

Poli A-polimerasa ARNm precursor Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS TRANSCRITO PRIMARIO MADURACIÓN A U G C U C G U G m-GTP U A G A A A A A

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS (Resumen) Procesos pos-transcripcionales ARN mensajero para traducir La polimerasa sigue transcribiendo un tiempo y después se para. Final de la transcripción La ARN-polimerasa se une al centro promotor y comienza la transcripción. Continúa la transcripción del gen Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS ARN -polimerasa Región a transcribir Punto de inicio ADN Centro promotor Señal de corte (AAUAA) ARN m inmaduro Caperuza Punto de corte Caperuza Degradación del ARN sobrante Poli-A polimerasa Poli-A

ORGANISMOS PROCARIONTES ORGANISMOS EUCARIONTES Transcrito primario Bucle Bucle 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. 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 5.- MADURACIÓN DEL ARN ARNasa ARNt ARNr RNPpn Exón Intrón Exón Intrón Exón Punto de unión entre exones

AAAAAA AUG UAG cola 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 Cabeza Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS ARNm precursor ARNm maduro

Región codificadora del gen Promotor E1 I1 E2 I2 E3 ADN ARNm precursor ARNm maduro AAAAAA AAAAAA AUG UAG AUG UAG ATC TAC Cabeza Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola cola Maduración del ARNm (Visión de conjunto). Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

AUG UGA UAA UAG Ej. ¿Qué aminoácido está codificado por el codón GAC? ¿y si fuese GAG? Es el “diccionario” que traduce el la secuencia de bases del ARN  aminoácidos Incluye 64 tripletes posibles (4 bases organizadas de 3 en 3: 4 3 = 64 ) que codifican para 20 aa proteicos, por lo que cada aa puede ser codificado por más de un triplete. Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 6.- EL CÓDIGO GENÉTICO Iniciación Terminación

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. A excepción de la metionina y el triptófano, un aminoácido está codificado por más de un codón. Esto es una ventaja ante las mutaciones. DEGENERADO Cada codón solo codifica a un aminoácido. SIN IMPERFECCIÓN Los tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas CARECE DE SOLAPAMIENTO Posibilidad de solapamiento Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS Met Gli Tre His Ala Fen Ala Met Leu Leu Pro Solapamiento Codones de iniciación

LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS ARN MENSAJERO AMINOÁCIDOS ENZIMAS Y ENERGÍA SUBUNIDAD PEQUEÑA SUBUNIDAD GRANDE SITIO A SITIO P SITIO E ARNt con el aa POLIPÉPTIDO ARNt RIBOSOMAS EXTREMO 3’ ARN DE TRANSFERENCIA ANTICODÓN AMINOACIL-ARNt -SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Donde se sitúa el Tienen tres lugares Formados por Donde se unen los Donde se une el Donde se une el Tiene dos zonas Por donde se une al Como la necesita

activación del aminoácido + + + Aminoácido Ácido aminoaciladenílico ARNt x Aminoácil -ARNt x Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas Unión de cada aa con su ARNt correspondiente mediante la intervención de una enzima específica, la aminoacil ARNt-sintetasa , y la energía aportada por el ATP . Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS Aminoacil ARNt -sintetasa La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt

Met 1er aminoácido ARNt Anticodón Codón ARNm Subunidad menor del ribosoma AAAAAAAAAAA P A A U G C A A U A C 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). 5’ 3’ U G C U U A C G A U A G

Met Subunidad menor del ribosoma AAAAAAAAAAA P A A U G C A A U A C Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma. El complejo ARNt-aminoácido 2 , 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). 5’ 3’ U G C U U A C G A U A G Gln G U U

ARNm AAAAAAAAAAA P A A U G C A A U A C 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). 5’ Gln-Met G U U U G C U U A C G A U A G 3’

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera. 5’ U A C Gln-Met G U U U G C U U A C G A U A G ARNm 3’

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A 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-aa 3 5’ 3’ Gln-Met G U U U G C U G C U U A C G A U A G ARNm

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación V: Entrada en la posición correspondiente a la región aminoacil (A) del complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys). 5’ Gln-Met G U U U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys). 5’ G U U U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys-Gln-Met

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina (Glu). 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys-Gln-Met G U U

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARN t3 -Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma. 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys-Gln-Met

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la leucina. 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys-Gln-Met A A U Leu

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación X: Este se sitúa en la región aminoacil (A). 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A C G Cys-Gln-Met A A U Leu

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A 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 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A A U Leu-Cys-Gln-Met A C G

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg). 5’ U G C U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ A A U Leu-Cys-Gln-Met G C U Arg

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A 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) 5’ U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ Arg-Leu-Cys-Gln-Met G C U A A U

AAAAAAAAAAA P A A U G C A A 5’ U G C U U A C G A U A G ARNm 3’ 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. A A U G C U

AAAAAAAAAAA Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma. 5’ ARNm 3’ 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.

iniciación y elongación E P A ARNt - Met ARNm INICIACIÓN ELONGACIÓN 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. Finalmente se une la subunidad grande del ribosoma. 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. Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS E P A Codón iniciador (AUG) Subunidad grande Posición E Posición P Posición A Aminoacil -ARNt El aminoácido se libera del ARNt Desplazamiento del ribosoma 5’ 3’ Enlace peptídico

terminación ARNm Separación de las dos subunidades del ribosoma ARNm 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. TERMINACIÓN 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 . POLIRRIBOSOMAS Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS Codón de terminación (UAA, UGA, UAG) ARNt Porción final de la cadena proteica Factor de liberación Ribosoma ARNm Proteína en formación

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. EL OPERÓN LACTOSA 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 8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Genes estructurales Operador Promotor Gen regulador ARN-pol Inductor (alolactosa) Represor activo Promotor Operador Complejo inactivo represor-inductor

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 activador de la transcripción. Transcripción ARNm Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio Proteína receptora del citoplasma Complejo hormona-receptor Unión del complejo al ADN celular

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS 9.- RESUMEN y ACTIVIDADES REPLICACIÓN TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN 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 ACTIVIDADES : 7, 11 y 15 (pág. 260)

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