Sintesis de proteinas

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;


(EXPRESIÓN GÉNICA)

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS1.- 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 ADNCon 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

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 PROTEÍNAS2.- 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.


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 PROTEÍNAS3.- 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”

RIBOSOMASNÚCLEO

ARNADN

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…


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

• ARN polimerasa I ARNr

• ARN polimerasa II ARNm

• ARN polimerasa III ARNt y ARNr

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS4.- TRANSCRIPCIÓN

FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN :

11.- .- INICIACIÓN: ARN-polimerasa reconoce el ADN y abre la doble hélice

22.- ELONGACIÓN : la ARN-polimerasa lee el ADN molde y sintetiza el ARNm

33.- 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’

ARNADN

La transcripción: Síntesis de ARNmLa transcripción: Síntesis de ARNm

T A C A C G C C G A C G

U CG U G G G C U G CA


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.-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.-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.-TERMINACIÓN.- ARN-polimerasa reconoce en el ADN una señal de terminación, que indica el final de la transcripciónPROCARIOTAS:

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


A U G C U C G U Gm-GTP

Poli A-polimerasa

U A G A A A A A

ARNm precursor


TRANSCRITO PRIMARIO

MADURACI NÓ

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS (Resumen)(Resumen)

ARN -polimerasa

Región a transcribirPunto de inicio

ADN

Centro promotor

Señal de corte (AAUAA)

ARNm inmaduro

Caperuza

Punto de corte

Caperuza

Procesos pos-transcripcionales

Degradación del ARN sobrante

Poli-A polimerasa

ARN mensajero para traducir

Poli-A

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


ORGANISMOS PROCARIONTES

ORGANISMOS EUCARIONTES

Transcrito primario

ARNasa

ARNtARNr

RNPpn

ExónIntrón

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.

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS5.- MADURACIÓN DEL ARN

ARNmprecursor

AAAAAAAUG 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 maduroEn casi todos los ARNm estudiados, aparece GU (en el punto de corte 5’) y AG (en el punto de corte 3’) de los intronesFUNCIÓN 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

ARNmmaduro

Cabeza


Región codificadora del gen

Promotor E1 I1 E2 I2 E3ADN

ARNmprecursor

ARNmmaduro

AAAAAA

AAAAAAAUG UAG

AUG UAG

ATCTAC

Cabeza

Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola

cola

Maduración del ARNm (Visión de conjunto).



AUG

Iniciación

UGAUAAUAG

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.

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS6.- 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

SolapamientoCodones de iniciación


LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

ARN MENSAJEROAMINOÁCIDOSENZIMAS Y ENERGÍA

SUBUNIDAD PEQUEÑA

SUBUNIDAD GRANDE

SITIO A

SITIO P

SITIO E

ARNt con el aa

POLIPÉPTIDO

ARNtDo

nd

e s

e s

itúa

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

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS7.- EL PROCESO DE TRADUCCIÓN.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

activación del aminoácidoactivación del aminoácido

+ +

+

Aminoacil ARNt -sintetasa

AminoácidoÁcido 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.


Met1er aminoácido

ARNtAnticodón

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 AU A C

Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma. El complejo ARNt-aminoácido2 , 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’

Gln

G U UU G C U U A C G A U A G

ARNmAAAAAAAAAAA

P A

A U G C A AU 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


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


ARNm3’

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-aa3

5’ 3’

Gln-Met

G U UU G CU 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


ARNm3’

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’


ARNm3’

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 CU G C U U A C G A U A G

ARNm3’

G U U

A C G

Cys-Gln-Met

AAAAAAAAAAA P A

A U G C A A

Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARNt3-Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma.

5’


ARNm3’

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’


ARNm3’

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’


ARNm3’

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’


ARNm3’

A C G

A A U

Leu-Cys-Gln-Met

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’


ARNm3’

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’


ARNm3’

A A U

Arg-Leu-Cys-Gln-Met

G C U

AAAAAAAAAAA P A

A U G C A A

5’


ARNm3’

A A U

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 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 elongacióniniciación y elongación

EP

A

E P A

ARNt - Met

Codón iniciador (AUG)

ARNm

Subunidad grande

Posición EPosición P

Posición A

Aminoacil -ARNtEl 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.


terminaciónterminación

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.

POLIRRIBOSOMAS

Ribosoma

ARNmProteína en formación


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 bloqueadaLa ARN-pol no puede unirse al ADN

Transcripción desbloqueada

Inductor(alolactosa)

Represor activo

Promotor

Operador

Complejo inactivo represor-inductor

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 PROTEÍNAS8.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA en EUCARIOTASEs 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

Complejohormona-receptor

Transcripción

ARNm

Unión del complejo al ADN celular


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

Tema 15: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS9.- RESUMEN y ACTIVIDADES

ACTIVIDADES : 7, 11 y 15 (pág. 260)

Science

Sintesis de proteinas