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Genética Molecular I:
Síntesis de ARN
TRANSCRIPCIÓN
TEMA 12
1. Genética Molecular
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La genética molecular utiliza la vía inversa que la mendeliana; parte de la secuencia de bases
de un gen y deduce el fenotipo ( la secuencia de aminoácidos de una proteína que
desempeña una actividad biológica determinada.
El ADN se replica y heredamos copias del ADN paterno y materno ( el genotipo), en cuyas
moléculas se localizan los genes. Estos poseen mensajes codificados y cuando se expresan (
se transcriben y se traducen) se forman las diversas proteínas, que ejecutan sus órdenes y
ponen de manifiesto los caracteres heredados ( el fenotipo).
Contexto Histórico y Social
El ADN es la molécula portadora de la información genética
Del Gen a la Proteína: El Flujo de la información genética
• El ADN es la molécula portadora de la información transmitida
en los genes, y no las proteínas. Pero los genes , es decir, el
ADN no lleva a cabo las funciones. Son las proteínas las
moléculas responsables de la actividad biológica y las que
confieren a cada individuo la especificidad( pelo rizado o liso,
los ojos azules o verdes,….)
– Por tanto debe existir algún mecanismo que permita a los
genes expresar su información para que se formen la
proteínas.
– El flujo de la información va desde un gen ( segmento de
ADN) pasa su información al ARNm y de éste a las
proteínas( se pasa de un lenguaje de 4 bases nitrogenadas
y una secuencia de aminoácidos que forman las proteínas
y que serán las que ejecuten la orden que contiene el ADN.
La expresión de los genes
1. Transcripción: biosíntesis de ARN.
Una de las dos cadenas que componen el ADN de un gen actúa como molde
para la síntesis de una cadena de ARN.
Pero en el ADN hay secuencias génicas distintas:
a) Genes que se transcriben y se traducen: porque poseen información
para la síntesis de proteínas. Al transcribirse originan ARNm
b) Genes que se transcriben pero no se traducen: tienen información para
la síntesis de ARNr y ARNt, que colaboran en la síntesis de las proteínas.
c) Secuencias génicas reguladoras, que ni se transcriben, ni se traducen,
pero son fundamentales indicando por dónde se debe comenzar a
transcribir el gen y dónde debe finalizar la lectura.
2. Traducción : biosíntesis de proteínas.
Las instrucciones del gen, son traducidas por los ribosomas, según
el código genético, que establece la correspondencia entre la
secuencia de bases del ARN y la secuencia de aminoácidos de la
proteína,
La expresión de los genes
La expresión de los genes
La Transcripción en Eucariotas: síntesis del ARNm en el núcleo
• En los eucariotas todos los tipos de ARN (ARNr, ARNt y ARNm) se
sintetizan en el núcleo, y luego se exportan al citoplasma a través de los
poros nucleares, para que participen en la traducción( en mitocondrias y
cloroplastos también hay genes que se transcriben para la síntesis de ARN
mitocondrial y de los cloroplastos).
• Para que se lleve a cabo la transcripción necesitamos tres elementos:
1. Una cadena de ADN molde
2. Ribonucleótidos trifosforilados de A,G,C y U
3. La enzima ARN polimerasa II o transcriptasa.
1
2
3
• La ARN polimerasa, enzima que cataliza la polimerización de los
ribonucleótidos basándose en la complementariedad de bases con
la hebra molde del ADN, debe de tener las siguientes capacidades:
a) Reconocer las secuencias promotoras, que marcan el inicio de la
transcripción, para lo que cuenta con la ayuda de los factores
proteicos de transcripción.
b) Leer la hebra molde del ADN en sentido 3´ 5´; lee la secuencia
de bases y selecciona los ribonucleótidos trifosfato, cuya base
debe ser complementaria a la base del molde. Polimeriza en
sentido5´ 3´.
c) Cataliza la formación del enlace éster entre los nucleótidos. La
enzima cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato del
nucleótido monofosfato que se incorpora a la cadena del ARNm
en formación mediante enlace éster y para ello utiliza la energía
desprendida de su hidrólisis.
d) Reconocer las secuencias de terminación de la transcripción.
Etapas de la transcripción:
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•
•
•
Iniciación
Elongación
Terminación
Maduración postranscripcional
Etapas de la transcripción:
Iniciación
• Para que la ARN polimerasa transcribe los genes, existen en los genes
eucariotas tres tipos de secuencias génicas reguladoras:
1. El promotor: es la región más próxima al inicio de la transcripción y esta
formada por la secuencia -25 TATA, -80CAAT Y -120 GC. Los factores
proteicos de transcripción que se unen al promotor, conocidos como
factores basales, ayudan a la ARN polimerasa a colocarse en el sitio de
iniciación del gen.
2. Las secuencias potenciadoras (enhancers): situadas mucho más lejos,
entre -200,-10000, a ellas se unen los factores activadores de la
transcripción, que cumplen dos funciones:
1.
2.
3.
Desempaquetar la cromatina al disgregar los nucleosomas, y consiguen desenrollar la
doble vuelta del ADN, para que la región promotora quede accesible.
Incrementar la velocidad de transcripción.
Las secuencias silenciadoras( silencers): se encuentran intercaladas entre
las activadoras y a ellas se unen los represores, disminuyendo la
velocidad de transcripción.
• Elongación:
la enzima ARN polimerasa recorre la hebra
molde en sentido 3´5´, mientras que la cadena
del ARNm transcrito primario o preARN ,
continua creciendo en dirección 5´3´, a razón
de 30 nucleótidos por segundo.
• Terminación:
la transcriptasa reconoce la secuencia TTATTT,
que determina el final de la transcripción y la
separación de la cadena de pre-ARNm recién
sintetizada de la hebra molde de ADN
Maduración postranscripcional
•
Se le añade una metil guanosina trifosforilada en posición 5´. Esta especie de
“caperuza”protege al ARNm del ataque de las nucleasas y evita su inmediata degradación en el
núcleo. Ademas este “cap” es reconocido por los ribosomas como lugar de inicio de la
traducción.
•
Se le añade una cola de poli-A de unos 150 a 200 ribonucleótidos de Adenina, en el extremo
3´. Cuanto menor sea el tamaño más rapidamente se degradará el ARNm
•
Corte de intrones y pegado de exones o splicing: como los genes de eucariotas están
fragmentados, ya que contienen los intrones sin información y los exones con información, hay
que eliminar los intrones mediante un proceso de maduración en el núcleo del pre-ARNm,
que supone cortes entre los intrones y los exones, de manera que las secuencias intrónicas se
enrollan en forma de lazos y se eliminan, mientras que las secuencias exónicas se empalman y
forman una moléculas de ARNm funcional que sale al citoplasma , para la síntesis proteica.
Maduración postranscripcional: del ARNr y ARNt
Los tres tipos de
ARNr ( 28S,18S y
5’8S) , son
sintetizados por la
ARN polimerasa I,
proceden de largas
cadenas de ARN
transcrito primario ,
e ARN nucleolar y
que después de un
proceso de
maduración , de
cortes origina los
distintos tipos de
ARNr.
Los pre-ARNt
sintetizados por
la ARN
polimerasa III
suele sufrir
cortes en
determinados
lugares, así como
la modificación
de algunas de
sus bases y la
adición de la
secuencia CCA,
en el brazo
aceptor de lo s
aminoácidos.
Regulación de la expresión génica en eucariotas
Para evitar el despilfarro de la energía, las células no disponen de todas las
proteínas que están codificadas en sus genes, sino en cada momento
sintetizan solamente aquellas que necesitan y en las concentraciones
adecuadas, mediante la regulación de la expresión génica.
La regulación de la expresión génica en eucariotas se puede llevar
a cabo en cinco niveles diferentes tres en el núcleo:
1. Control de la estructura de la cromatina
2. Control de la transcripción
3. Control de la maduración postranscripcional
Y dos en el citoplasma:
1. Control de la traducción
2. Control del procesamiento postraduccional
Control de la estructura de la cromatina
•
•
El ADN de los eucariotas, está formado por ADN e histonas y forma la cromatina. En algunas
zonas la cromatina se encuentra en forma de Heterocromatina, tan altamente condensada
que sus genes prácticamente no se trascriben, mientras que en otras regiones adopta la
forma de Eucromatina con menor grado de empaquetamiento. Es en la eucromatina dónde
se encuentran los genes que pueden ser transcritos en cada tipo de célula, pero aún se
encuentran densamente empaquetados y resultan inaccesibles para ser transcritos por la
ARN polimerasas. Esto significa que antes de la trascripción es necesario un proceso de
descondensación de una región de la cromatina durante un periodo de tiempo corto , pero
suficiente para que se transcriba los genes.
Por ello podemos modificar la estructura de la cromatina, impidiendo la transcripción
mediante :
a)
Metilación del ADN: la adición de grupos metilo (-CH3) a las bases del ADN, silencia la
expresión de los genes.
b)
Acetilación y metilación de las histonas: Las histonas acetiladas (-CO-CH3) ,disminuyen
su afinidad por el ADN y favorece la descondensación de la cromatina, adoptando una
conformación extendida que activa la trascripción al facilitar el acceso de la enzima
ARN polimerasa hasta el promotor del gen específico que se va a transcribir. Por otro
lado, la metilación de las histonas, ejerce el efecto contrario: aumenta la condensación
de la cromatina y por tanto favorece la inactivación génica.
Control de la transcripción
•
Es el más importante de todos los mecanismos de regulación y se puede llevar a cabo
mediante genes saltarines o mediante factores de transcripción:
a)
Elementos traslocables o genes saltarines: no tienen una posición fija en el genóma y
saltan de una posición a otra del genoma en cada generación, provocando la inestabilidad
de los genes, cuando estos genes saltarines se insertan en las secuencias codificantes o en
las reguladoras de un gen, pueden dar lugar a inactivaciones o el caso contrario de
sobreactivación.
b)
Factores de la transcripción: la unión de la ARN polimerasa con el promotor para la
transcripción de un gen requiere de una variedad de factores proteicos de la transcripción.
La expresión de un gen comienza cuando determinados factores activadores reconocen las
secuencias activadoras del ADN (enhancers) de dicho gen y se unen a ellas. Comienza una
secuencia de activaciones que conducen finalmente a la unión de la enzima al promotor
para que se inicie la transcripción.
Ej: regulación hormonal de la expresión génica: hormonas como la insulina( hormona
proteica) o la progesterona ( esteroídica) se unen a receptores celulares específicos y activan
determinados factores activadores de la transcripción. Cuando estos se unen a los potenciadores
inducen la expresión de los genes que codifican proteínas esenciales en la respuesta hormonal,
así, p.ej. La insulina provoca la síntesis de enzimas responsables del metabolismo de la glucosa
Control de la maduración postranscripcional
El splicing alternativo permite modular y amplificar la expresión de los genes. Se pueden dar
mecanismos alternativos de corte y pegado a partir de un mismo pre ARNm, no siempre se unen
en la misma secuencia los exones, lo que origina cadenas distintas de ARNm que en la traducción
originaran distintas proteínas. Es decir, un mismo gen eucariota que contienen varios exones,
según se unan en el proceso de maduración pueden dar lugar a diferentes proteínas con
actividades distintas, es decir, amplifican su expresión génica.
Control de la traducción
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Se puede realizar de varias formas pero una de ellas, consiste en eliminar el CAP
de la posición 5’ , acortar la cola de poli A.
Control del procesamiento postraduccional
Una vez sintetizada la proteína, algunas experimentan un conjunto de modificaciones
químicas, antes de convertirse en moléculas funcionales.
También podemos marcarlas añadiéndole una pequeña proteína ,llamada ubiquitina,
de esto modo acortamos la vida media de la proteína, para que finalmente sea
degradada en los proteosomas.
RETROTRANSCRIPCIÓN
En la década de los sesenta, se enuncio el dogma central de la biología molecular:
ADN
TRANSCRIPCIÓN
ARNm
TRADUCCIÓN
PROTEÍNA
RETROTRANSCRIPCIÓN
En todas las células y en algunos virus existen enzimas retrotranscriptasas que son capaces de
invertir el flujo de información genética al sintetizar ADN a partir de ARN
LOS RETROVIRUS.
En 1970 HowardM, Temin, dio un duro golpe al dogma, al descubrir que los retrovirus (una clase
de virus cuyo material génico es ARN), eran capaces de sintetizar ADN a partir de ARN,
mediante una enzima llamada retrotranscriptasa. ( Un ej., es el virus del SIDA.)
Se pueden encontrar en forma de virus infectantes de vida libre, constituidos por una envoltura
proteica o cápsida en cuyo interior se aloja la hebra de ARN junto con la enzima
retrotranscriptasa. Y también adoptan la estructura de provirus, formados por una doble
hebra de ADN que está integrada en un cromosoma de la célula hospedadora infectada como
si fuera uno más de sus genes
Ciclo vital de un retrovirus
1.
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Fijación y entrada. El retrovirus se une a determinados receptores de la membrana de los linfocitos TH(a) y penetra en la
célula al fusionarse su envoltura membranosa con la membrana plasmática (b). Una vez en el interior, se despoja de su
cápsida proteica y quedan libres las dos hebras de ARN© Y las enzimas retrotranscriptasas. (d).
Retrotranscripción: cada enzima retrotranscriptasa utiliza una cadena de ARN como molde para sintetizar una cadena de
ADN copia ( ADNc) (e), con secuencia complementaria, que forma un híbrido con la hebra de ARN(f). La enzima
retrotranscriptasa tiene, además, otras dos funciones: degrada la hebra de ARN y sintetiza otra cadena de ADN
complementaria de la hebra de ADNc(g).
Integración: se forma una doble hélice de ADN vírico(h) que se integra en el genoma de la célula hospedadora y se
convierte en provirus(i)
Transcripción y traducción: el provirus se comporta como un gen más y continúa su ciclo vital de reproducción. Utiliza la
maquinaria metabólica celular para replicar, transcribir y traducir sus genes que dan lugar a nuevas copias de ARN
vírico(j), proteínas de la cápsida(k) y de la envoltura (l) y enzimas retrotranscriptasas(m).
Ensamblaje: Las vesículas del AG (n) transportan las glucoproteínas de la envoltura (l) hasta el lugar de la membrana
plasmática ( secreción constitutiva) (o) donde tendrá lugar la gemación (p). Los demás componentes víricos de la cápsida
se ensamblan alrededor de las moléculas de ARN de los genomas virales y de las enzimas retrotranscriptasas.
Gemación: Una vez formados los retrovirus (q) abandonan la célula mediante un proceso de gemación (p) para volver de
nuevo a la vida libre con capacidad para infectar a otras células ®
Retrovirus, cáncer y evolución
•
•
Algunos retrovirus se llaman oncógenos porque son portadores de un tipo de genes,
llamados oncogenes, que cuando se insertan en una célula normal provocan su
transformación en célula cancerosa.
Otros retrovirus carecen de oncogenes, pero cuando se insertan en determinadas regiones
del genoma celular activan los promotores de ciertos genes que tienen efectos carcinógenos.
El genoma
1. Genoma vírico: están formados por una sola molécula lineal o circular de ADN o
ARN, con pocos genes o varios cientos. Se piensa que los transposones y los
plásmidos bacterianos pueden haber estado en el origen de los virus, al ser
fragmentos de ácido nucleico que pudieron alcanzar la capacidad de replicarse de
forma independiente de sus células hospedadoras. Es unánime la opinión de que los
virus son posteriores a las células, pero estos han tenido un papel muy importante
en la evolución celular por su gran facilidad de transferir secuencias de ácidos
nucleicos de unas células a otras y de unas especies a otras.
2. Genoma de procariotas: un cromosoma principal de doble cadena de ADN y circular.
A veces un plásmido de replicación independiente. Los plásmidos se utilizan como
vectores de genes, que pueden ser insertados en ellos y de esta forma pueden ser
introducidos en una célula hospedadora a la cual transforman.
3. Genoma de eucariotas: en el núcleo , en cromosomas lineales; y una pequeña parte
en cloroplastos y mitocondrias.
El genoma humano: solo contiene unos 25000 genes que codifican para proteínas , lo
que representa apenas un 1.5% del total del ADN
Epigenética
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Es el conjunto de cambios del ADN, reversibles y heredables que no afectan a la
secuencia de nucleótidos de los genes, pero sí son capaces de alterar su expresión,
haciendo que unos genes se expresen y otros no en función de las condiciones
medioambientales.