Tema 22: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
(EXPRESIÓN GÉNICA)
1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
2.- CONCEPTO DE GEN
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
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.
-.3ª Evidencia.-
Experiencia de Hershey y Chase
(1952)
Experiencia con bacteriófagos
en el que se utilizaron marcajes
radiactivos con
P32 (ADN) y S35 (proteínas)
Se tuvo la certeza que el ADN
era el portador de la
información
2.- CONCEPTO DE GEN
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.
La información se almacena en forma de GENES a lo largo del GENOMA, pero…
¿Cómo lo hacen PROCARIOTAS y EUCARIOTAS?
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)
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 ARNm
TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN
ARNt
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
• 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
RESUMIENDO…
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
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
3’
3’
5’
5’
ARN ADN
La transcripción: Síntesis de ARNm
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
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, que indica el final de la transcripción
PROCARIOTAS:
La señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica (se lee igual de izqdcha que dchaizq) 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
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 mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones.
5.- MADURACIÓN DEL ARN
ARNm
precursor
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
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.
6.- EL CÓDIGO GENÉTICO
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 Don
de s
e si
túa
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
7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. SÍNTESIS DE 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’
U G C U U A C G A U A G
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-aminoácido2 , 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 U G C U U A C G A U A G
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
3’
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
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 del ribosoma, quedando ahora la región aminoacil (A) libre para la entrada del complejo ARNt-aa3
5’ 3’
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’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VI: 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
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
G C U
Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian hasta nueva síntesis y se separan del ARNm.
AAAAAAAAAAA
Finalización II: Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas.
5’
ARNm 3’
A U G C A A U G C U U A C G A U A G