Download 20 Expresión génica

Colegio
Diocesano
San Atón
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La expresión
del mensaje
genético
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Genética molecular.
Colegio
Diocesano
San Atón
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).
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Un gen una enzima
G. Beadle y E. Tatum
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Biología
2º BACHILLERATO
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.
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Expresión génica
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Flujo de la información genética:
dogma central de la biología molecular
Biología
2º BACHILLERATO
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 ARNm
ARNt
ADN
Transcripción
Replicación
PROTEÍNA
ARNm
NÚCLEO
Traducción
RIBOSOMAS
Este esquema fue considerado durante muchos años el “dogma central de la biología molecular”.
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Biología
2º BACHILLERATO
Redefinición del dogma central de la biología molecular
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
Transcriptasa
inversa
Envoltura
RETROVIRUS
Transcriptasa
inversa
Membrana plasmática
de la célula huésped
Degradación
del ARN
Transcriptasa
inversa
ADNc
monocatenario
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
Transcripción
ARN
ADN
Transcripción
inversa
Replicación
PROTEÍNAS
Traducción
Replicación
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Biología
Requisitos previo para la síntesis de ADN
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La síntesis de ARN o transcripción necesita:
CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE
En eucariotas
ARN -POLIMERARAS
RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C y U
Bases
• ARN polimerasa I
ARNr
• ARN polimerasa II
ARNm
• ARN polimerasa III
ARNt y ARNr
Ribosa
Ribonucleótido
trifosfato
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Transcripción: Estructura de la burbuja de transcripción
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Transcripción
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ARNm transcrito es copia de una hebra
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El proceso de transcripción
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INICIACIÓN
La ARN-polimerasa reconoce los centros promotores.
Cola poli-A
Luego abre la doble hélice para que los ribonucleótidos
se unan a la cadena molde.
TERMINACIÓN
3
Poli-A
polimerasa
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
2
Punto de
corte
ELONGACIÓN
La ARN-polimerasa avanza en sentido 3’-5’ y sintetiza
el ARN en sentido 5’-3’. .
Cadena molde de ADN (transcrita)
ARN
Señal de
corte
ARN - polimerasa
Cadena inactiva de ADN
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Transcripción en procariotas: ARNpolimerasa
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Transcripción en procariotas: factor σ
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Biología
Esquema general de la transcripción en eucariontes
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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)
Caperuza
Procesos
pos-transcripcionales
ARNm inmaduro
Punto de corte
La polimerasa sigue transcribiendo
un tiempo y después se para.
Degradación del ARN sobrante
Caperuz
a
Poli-A
Poli-A
polimerasa
Final de la transcripción
ARN mensajero para traducir
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Transcripción: secuencias de inicio
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Transcripción: Activación de la ARN polimerasa II
Biología
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Trasncripción en eucariotas y maduración de ARNm
Biología
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La maduración del ARN
ORGANISMOS PROCARIONTES
Transcrito primario
Los ARNm no sufren
proceso de maduración.
ARNasa
Los ARNt y ARNr se forman a partir de un
transcrito primario que contiene muchas
copias del ARNt y ARNr.
ARNt
ORGANISMOS EUCARIONTES
Intrón
Exón
Exón
RNPpn
Bucle
Exón
ARNr
Intrón
El ARN transcrito primario sufre
un proceso llamado splicing
mediante el que se eliminan los
intrones y se unen los exones.
Bucle
Punto de unión
entre exones
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Maduración de los ARNr: eliminación de intrones
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Maduración de los ARNm: eliminación de intrones
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Maduración del ARNm de la ovoalbúmina
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Maduración de los ARNribosómicos
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Maduración de los ARNribosómicos
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Maduración del ARNt
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Biología
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Código genético
UAA
UAG
UGA
AUG
Iniciación
Terminación
Ej. ¿Qué aminoácido está codificado
por el codón GAC?
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Biología
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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
Los tripletes se disponen de manera
lineal y continua, sin espacios entre ellos
y sin compartir bases nitrogenadas
SIN IMPERFECCIÓN
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
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Biología
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El proceso de traducción
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
Tiene
dos
zonas
ANTICODÓN
Donde se sitúa el
SITIO A
ARN DE
TRANSFERENCIA
Como la
Donde se unen los
SUBUNIDAD
GRANDE
ENZIMAS Y
ENERGÍA
AMINOÁCIDO
Donde se
une el
EXTREMO 3’
POLIPÉPTIDO
ARNt
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Ribosomas: concepto, estructura y tipos
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Biología
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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).
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ARNtransferente
Biología
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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.
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ARNtransferente: estructura tridimensional
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Activación del aminoácido
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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.
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Biología
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Reacción de activación de un aminoácido
+
+
Aminoacil ARNt -sintetasa
Aminoácido
Ácido aminoaciladenílico
+
ARNtx
La unión se realiza en
el extremo 3’ del ARNt
Existen al menos 20 aminoacil-ARNtsintetasas, una para cada aminoácido.
Son enzimas muy específicas
Aminoácil -ARNtx
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Actívación del aminoácido: enlace formado
Biología
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Biología
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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.
El proceso de iniciación precisa de
energía que se obtiene de la hidrólisis
de GTP.
GTP
GDP + P
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.
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.
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E
P
A
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Biología
Síntesis de proteínas: iniciación y elongación
INICIACIÓN
Codón iniciador (AUG)
ARNm
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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
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Fases de la traducción: Inicio, factores necesarios
Biología
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Factores proteicos
necesarios para el
inicio de la
traducción en
bacterias y en células
eucariotas.
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Fases de la traducción: Elongación (1)
Biología
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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)
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Fases de la traducción: Elongación (2)
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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.
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Fases de la traducción: Elongación (3)
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Biología
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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 (EFG)
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.
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Fases de la traducción: Terminación
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Biología
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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.
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Expresión génica
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Biología
2º BACHILLERATO
Síntesis de proteínas: Terminación
Codón de terminación
(UAA, UGA, UAG)
Separación de las dos
subunidades del ribosoma
ARNm
ARNm
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.
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Expresión génica
Traslación de los ribosomas
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Biología
2º BACHILLERATO
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.
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Expresión génica
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Biología
2º BACHILLERATO
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
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Expresión génica
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Dirección de traslación de los polirribosomas
Biología
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Expresión génica
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Polirribosomas a microscopio electrónico
Biología
2º BACHILLERATO
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Expresión génica
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Transcripción y traducción simultáneas en eucariotas
Biología
2º BACHILLERATO
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Expresión génica
El efecto de los antibióticos
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Biología
2º BACHILLERATO
El efecto de los
antibióticos.
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Expresión génica
Biología
Regulación de la expresión génica
2º BACHILLERATO
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.
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Expresión génica
Biología
Regulación por el modelo del operón
Sitio de unión del
activador
Sitio de
unión del
represor
(operón)
Secuencias reguladoras
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.
2º BACHILLERATO
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.
Genes transcritos como unidad
Genes estructurales. Contienen la
información para la síntesis de
enzimas (proteínas) de la ruta
metabólica.
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Expresión génica
Biología
2º BACHILLERATO
Modelo del operón
ARN-polimerasa
Promotor
Genes estructurales
Operador
Dirección de la transcripción
Gen regulador
Codifica la proteína reguladora
EL OPERÓN LACTOSA
Inductor
(alolactosa)
Represor
activo
Promotor
Complejo inactivo
represor-inductor
Operador
ADN
Transcripción bloqueada
La ARN polimerasa no
puede unirse al ADN
ADN
Transcripción desbloqueada
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Expresión génica
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Regulación de la expresión génica
Biología
2º BACHILLERATO
Regulación negativa
Regulación positiva
(la unión del represor inhibe la transcripción)
(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
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Expresión génica
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Biología
La regulación hormonal: hormonas esteroideas
Proteína
receptora
2º BACHILLERATO
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.
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Expresión génica
Biología
2º BACHILLERATO
Genoma en eucariontes
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
Gen
regulador
Intrones
Operador
Promotor
Exones: secuencias
codificantes
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Expresión génica
Objetivos del proyecto genoma humano
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Biología
2º BACHILLERATO
Objetivos del proyecto genoma humano
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