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
PROTEÍNAS
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
-.1ª Evidencia.-
Experiencia de Griffith (1928)
-.2ª Evidencia.-
Experiencia de Avery, McLeod y McCarthy (1944)
-.3ª Evidencia.-
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
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.
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…
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
ARNt
PROTEÍNA
REPLICACIÓN
Este esquema fue considerado durante muchos años el
“
dog ma central de la biolog ía molecular
”
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, como algunos virus.
Replicación
REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
PROTEÍNAS
PROCARIOTAS
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
• ARN polimerasa I ARNr
• ARN polimerasa II ARNm
• ARN polimerasa III ARNt y ARNr
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
ARN polimerasa
3’
3’
5’ 5’
ARN ADN
La transcripción: Síntesis de ARNm
T A C A C G C C G A C G U G U G C 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
A U G C U U G G C A A C G U G
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
T A C G A A C C G T T G C A C A T C
A U G C U U G G C A A C G U G
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
m-GTP
ARNpolimerasa
TERMINACIÓN.-
ARN-polimerasa reconoce en el ADN una señal
de terminación.
PROCARIOTAS:
La señal de terminación es una
secuencia de
bases palindrómica
(se lee igual de izq
dcha
que de 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)
ORGANISMOS PROCARIONTES
ORGANISMOS EUCARIONTES
Transcrito primario
ARNasa
ARNt ARNr
RNPpn
Exón Intrón Exón
Intrón
Exón
Bucle
Punto de unión entre exones 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.
S
e eliminan los intrones y se unen
los exones.
PROTEÍNAS
ARNm
precursor
AUG UAG AAAAAAcola
MADURACIÓN en Eucariotas:
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
ARNm
maduro
Cabeza
AUG
Iniciación
UGA UAA
UAG
Terminación
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: 43 = 64) que codifican para 20 aa proteicos, por lo que cada aa puede ser codificado por más de un triplete.
PROTEÍNAS
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
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 D onde s e s it úa el Tienen tres lugares Formados por RIBOSOMAS
Donde se unen los
Donde se une el
Donde se
une el EXTREMO 3’
Tiene dos zonas ARN DE TRANSFERENCIA Por donde se une al
ANTICODÓN AMINOACIL-ARNt
-SINTETASA y los GRUPOS FOSFATO
Como la necesita
PROTEÍNAS
activación del aminoácido
+
+
+
Aminoacil ARNt -sintetasa
Aminoácido
Ácido aminoaciladenílico
ARNtx
Aminoácil -ARNtx
Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una
para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas
La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt
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
.
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 al ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al
codón AUG. Se les une el ARNt
La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta la
metionina (Met).
5’ 3’
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.
El complejo ARNt-aminoácido
2, 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’
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’
G U U
U G C
U U A
C G A
U A G
AAAAAAAAAAA
P A
A U G
C A A
Elongación III:
El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera.
5’
G U U
U G C
U U A
C G A
U A G
ARNmAAAAAAAAAAA
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 del
ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la entrada del complejo ARNt-aa
35’ 3’
G U U
U G C
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’
G U U
U G C
U G C
U U A
C G A
U A G
ARNm3’
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
ARNm3’
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
ARNm3’
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
ARNm3’
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
ARNm3’
A C G
A A U
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
ARNm3’
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
ARNm3’
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
ARNm3’
A A U
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
ARNm3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
AAAAAAAAAAA
P A
A U G
C A A
5’
U G C
U U A
C G A
U A G
ARNm3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
G C U
Finalización I:
Liberación del péptido o proteína.
AAAAAAAAAAA
Finalización II:
Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma.
5’
ARNm
3’
Polirribosoma o polisoma.
iniciación y elongación
E P A
ARNt - Met
Codón iniciador (AUG)
ARNm Subunidad grande Posición E Posición P Posición A Aminoacil -ARNt El aminoácido se
libera del ARNt Desplazamiento del ribosoma
INICIACIÓN
ELONGACIÓN
5’ 3’
Enlace peptídico
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.
terminación
ARNm
Separación de las dos subunidades del ribosoma ARNm
Codón de terminación (UAA, UGA, UAG)
ARNt
Porción final de la cadena proteica
Factor de liberación
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
.
Genes estructurales Operador Promotor Gen regulador ARN-pol
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 Inductor (alolactosa) Represor activo Promotor Operador Complejo inactivo
represor-inductor Si bacteria necesita metabolizarla y hay lactosa en el medio, la 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.
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.
Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio
Proteína receptora del citoplasma Complejo hormona-receptor Transcripción ARNm Unión del complejo
al ADN celular
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;
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
-.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
.
PROTEÍNAS
