Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D. Catedrático

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1 Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D. Catedrático
Del gene a la proteína Capítulo 17 Reece, Urry, Cain, Wasserman, Minorsky, Jackson, 2009 Campbell Biology 9th Edition

2 Del gene a la proteína? Transcripción y traducción Expresión genética

3 Del gene a la proteína? ¿De un gene a una proteína?
¿De 4 genes a 4 polipéptidos?

4 Figure Ribosome

5 Del gene a la proteína? George Beadle y Edward Tatum demostraron la relación entre gene y proteína usando Neurospora crassa Así se estableció la hipótesis de un gene una enzima Todas las enzimas son proteína, pero no todas las proteínas son enzimas, por lo tanto se modificó el concepto a un gene una proteína Algunas proteínas están compuestas de dos o más cadenas polipéptidas (e.i. hemoglobina), por lo tanto con el tiempo la hipótesis cambió a un gene un polipéptido

6 Figure 17.1 Beadle and Tatum’s evidence for the one gene-one enzyme hypothesis
Hongo: Neurospora crassa

7 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 1)

8 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 2)

9 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 3)

10 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 4)

11 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 5)

12 Comparación entre DNA, RNA y proteínas
Comparación entre el DNA, RNA y proteínas Polímero DNA  mRNA  Proteínas Molécula de azúcar Desoxirribosa  ? No tiene Monómero Nucleótidos Amino ácidos Cantidad Cuatro: A, T, G, C Cuatro: A, U, G, C Veinte Molécula Ácido nucleico de hebra doble Ácido nucleico de hebra sencilla Polipéptido

13 Figure 17.3 The triplet code

14 ¿Cómo se descifró el código genético?
4 nucleótidos 20 amino ácidos Adenina Timina Guanina Citosina AA, AC, AG, AT CC, CA, CG, CT GG, GA, GC, GT TT, TA, TC, TG

15 ¿Cómo se descifró el código genético?
Hay 4 nucleótidos que codifican para 20 amino ácidos 41=4, 42=16, 43=64 Ejercicio matemático Por ejemplo, hacen falta 300 nucleótidos para sintetizar un polipéptido de 100 amino ácidos AA, AC, AG, AT CC, CA, CG, CT GG, GA, GC, GT TT, TA, TC, TG Para un gen dado, sólo una hebra se transcribe y produce un mRNA Esta hebra se llama la hebra templado porque provee el templado para la síntesis del mRNA

16 ¿Cómo se descifró el código genético?
El mRNA es complementario al gen que lo codifica, no es idéntico Cada nucleótido en el mRNA se añade por complementariedad, No hay timina (T) en el RNA T es sustituido por uracilo (U) El mRNA es sintetizado por una polimerasa de RNA, que sólo tiene actividad en dirección 5'3'

17 ¿Cómo se descifró el código genético?
En los años 60, Marshall Nirenberg & Heinrich Matthaei realizaron unos experimentos que ayudaron a descifrar el código genético Añadieron el poli U a un tubo de ensayo con todos los componentes necesarios para la síntesis de un polipéptido

18 ¿Cómo se descifró el código genético?
No importaba cuando se detuviera la traducción, siempre obtenía un polipéptido conteniendo un solo amino ácido, fenilalanina (phe) Así logro descifrar que UUU codifica para fenilalanina y luego se fueron descifrando los codones restantes

19 ¿Cómo se descifró el código genético?
Figura 17.4 Hay 64 posibles codones 61 codones codifican para amino ácidos 3 codones son señales para que finalice la traducción (UAA, UAG, UGA)

20 ¿Cómo se descifró el código genético?
Figura 17.4 El codón AUG tiene función dual: Codifica para el amino ácido metionina Es un codón de iniciación, da la señal para el ensamblaje del ribosoma y que comience la traducción

21 Figure 17.4 The dictionary of the genetic code

22 ¿Cómo se descifró el código genético?
El código es redundante, pero NO es ambiguo Más de un codón pueden codificar para un amino ácido (redundante) Un codón sólo codifica para un amino ácido (no es ambiguo) El código es casi universal (antes se decía que era universal), es casi igual para todos los organismos vivientes CCG codifica para el amino ácido prolina en todos los organismos que se conocen Dado que todos los organismo usan el mismo código, es posible ponerle un gene de un organismo a otro

23 Figure 17.5 A tobacco plant expressing a firefly gene
Luciérnaga o cucubano

24 A tobacco plant expressing a firefly gene
Tabaco Cucubano Luciérnaga o cucubano

25 Figure 17.4 The dictionary of the genetic code

26 ¿Cómo se descifró el código genético?
Figura 17.5 La Figura 17.5 muestra una planta de tabaco a la que le pusieron un gene de una luciérnaga y la planta libera energía en forma de luz Para que se pueda producir una proteína a partir de un mRNA tiene que haber un marco de lectura abierto (Open Reading Frame = ORF)

27 ¿Cómo se descifró el código genético?
Figura 17.5 Analizar la siguiente secuencia genética: DNA: 3'TAC AAA GAG TAA CAC AGT GGG TGG CGT GTG TTT TCC ATT5'

28 ¿Cómo se descifró el código genético?
DNA: 3'TAC AAA GAG TAA CAC AGT GGG TGG CGT GTG TTT TCC ATT5' ¿Cuál es la molécula de DNA complementaria? ¿Qué RNA mensajero se produce de esta molécula de DNA? ¿Qué proteína se produciría a partir del mRNA?

29 Resumen

30 Figure 17.6 The stages of transcription: initiation, elongation, and termination (Layer 1)

31 Figure 17.6 The stages of transcription: initiation, elongation, and termination (Layer 2)

32 Figure 17.6 The stages of transcription: initiation, elongation, and termination (Layer 3)

33 Figure 17.6 The stages of transcription: initiation, elongation, and termination (Layer 4)

34 Figure 17.6 The stages of transcription: elongation

35 Polimerasas de RNA Es la enzima responsable de la síntesis de RNA a partir del DNA Sólo funciona en dirección 5'3' Los organismos procariotas tienen una sola polimerasa de RNA para todos los RNA y la polimerasa reconoce el promotor Los organismos eucariotas tienen 3 polimerasas de RNA: I, II, III

36 Polimerasas de RNA La Polimerasa II es la responsable de sintetizar el mRNA La polimerasa se pega al promotor sólo si se pegan primero unas proteínas llamadas factores de transcripción El promotor usualmente contiene una secuencia conocida como la caja TATA, a la cual se pegan los factores de transcripción (Figura 17.7) Estos factores de transcripción junto a la polimerasa se conocen como el complejo de iniciación de transcripción

37 Figure 17.7 The initiation of transcription at a eukaryotic promoter

38 Figure 17.8 RNA processing; addition of the 5 cap and poly(A) tail
Modificaciones post-transcripcionales en el RNA En eucariotas el pre-mensajero es modificado antes de salir del núcleo Terminal 5' - gorro, tope, tapa (secuencia líder) - se le añade un trifosfato de guanosina Esto previene degradación del RNA por enzimas hidrolíticas Ayuda a atarse al ribosoma

39 Figure 17.8 RNA processing; addition of the 5 cap and poly(A) tail
Modificaciones post-transcripcionales en el RNA Terminal 3' - gorro, tope, tapa (secuencia remolque, "trailer") se le añaden a este terminal entre adenina, el poli A Esto previene degradación del RNA por enzimas hidrolíticas Ayuda a atarse al ribosoma Facilita la exportación del mRNA del núcleo hasta el ribosoma La secuencia líder y la secuencia trailer no se traducen

40 Figure 17.9 RNA processing: RNA splicing
Figura 17.9 En un mRNA eucariota pueden haber secuencias que codifican para amino ácidos llamadas exones y secuencias que no codifican para amino ácidos llamadas intrones Se muestra el gene de b-globina, una de las cadenas polipéptidas en la hemoglobina tiene 146 amino ácidos tiene 3 exones tiene 2 intrones

41 Figure 17.9 RNA processing: RNA splicing
Figura 17.9 Todo se transcribe y forma un RNA pre-mensajero Antes del RNA pre-mensajero salir del núcleo, se remueven los intrones, se juntan los exones y se mantienen las secuencias no codificadoras líder y "trailer“ En algunos genes, diferentes exones codifican para dominios diferentes de la proteína (Figura 17.11)

42 Figure 17.9 RNA processing: RNA splicing
Figura 17.9 Cada dominio de la proteína se dobla independiente Cada dominio lleva a cabo una función diferente El dominio se define como una región discreta estructural y funcional de la proteína, o en otras palabras, como un fragmento de la proteína que tiene características particulares

43 Figure 17.11 Correspondence between exons and protein domains

44 Figure 17.10 The roles of snRNPs and spliceosomes in mRNA splicing
Figura 17.10 Remoción de intrones: Luego de la transcripción, el RNA inmaduro conteniendo los intrones se combina con unas proteínas llamadas snRNPs (small nuclear ribonucleoproteins) y otras proteínas para formar un complejo llamado "spliceosoma" Estos snRNPs están compuestos de RNA y proteínas y están localizados en el núcleo de la célula

45 Figure 17.10 The roles of snRNPs and spliceosomes in mRNA splicing
Figura 17.10 Remoción de intrones: El RNA en el snRNPs reacciona con el RNA en los terminales del intrón, el intrón es cortado y removido y se unen los dos exones Esta idea llevó al descubrimiento de las ribozimas, moléculas de RNA que funcionan como enzimas

46 ¿Cómo conectar el RNA a los AA?
Transcripción y traducción Expresión genética

47 Figure Overview: the roles of transcription and translation in the flow of genetic information (Layer 5)

48 Comparación entre DNA, RNA y proteínas
Comparación entre el DNA, RNA y proteínas Polímero DNA  mRNA  Proteínas Molécula de azúcar Desoxirribosa No tiene Monómero Nucleótidos Amino ácidos Cantidad Cuatro: A, T, G, C Cuatro: A, U, G, C Veinte Molécula Ácido nucleico de hebra doble Ácido nucleico de hebra sencilla Polipéptido

49 Síntesis de proteínas a partir del mRNA
El mRNA va a ir hasta los ribosomas donde ocurre traducción En la medida que el mRNA pasa a través del ribosoma, los codones son leídos uno a uno y traducidos en amino ácidos La molécula que conecta el mRNA con el amino ácido se llama RNA de transferencia (tRNA)

50 El tRNA: Figura 17.13 El tRNA es como un intérprete que traduce de nucleótidos (mRNA) a amino ácidos (proteína) Su función es transferir los 20 amino ácidos desde el lugar de almacenamiento en el citosol hasta el ribosoma Las células sintetizan los amino ácidos a partir de otros compuestos o los reciclan de los alrededores Consiste de ~80 nucleótidos que se dobla y generan una estructura tridimensional

51 El tRNA tiene Figura 17.13 Terminal 3' - lugar de enlace con el amino ácido que va a ser transportado hasta el ribosoma En uno de los lazos, el lazo opuesto al terminal 3', hay una secuencia única de nucleótidos: Complementaria al codón Consiste de tres nucleótidos Se conoce como el anticodón

52 El tRNA tiene Figura 17.13 La secuencia del anticodón normalmente se escribe en dirección 3'5' para que alinee adecuadamente con la secuencia del codón: Codón 5’TTC3’ Anticodón 3’AAG3’ Hay un tRNA específico para cada uno de los 20 amino ácidos y cada uno tiene un anticodón particular

53 Unión de amino ácidos con tRNA catalizada por sintetasa de aminoacil tRNA (Figura 17.14)
La unión de los amino ácidos con sus respectivos tRNA es catalizada por una enzima llamada sintetasa de aminoacil tRNA 1) Lo primero que ocurre es que el sitio activo de la enzima enlaza el amino ácido y trifosfato de adenosina (ATP) 2) El ATP pierde dos grupos fosfato (P) y se pega al amino ácido en forma de monofosfato de adenosina (AMP)

54 Unión de amino ácidos con tRNA catalizada por sintetasa de aminoacil tRNA (Figura 17.14)
La unión de los amino ácidos con sus respectivos tRNA es catalizada por una enzima llamada sintetasa de aminoacil tRNA 3) El tRNA correspondiente se enlaza al amino ácido y desplaza el AMP 4) La enzima libera el amino ácido activado (aminoacil tRNA)

55 La anatomía del ribosoma en detalle está dada en la Figura 17.15
Tiene dos subunidades: Grande Pequeña Compuestas por proteínas y RNA ribosomal (rRNA) En los eucariotas estas subunidades se sintetizan en los nucleolos Las subunidades se unen cuando se va a traducir un mRNA Normalmente el rRNA es el tipo de RNA más abundante en las células

56 La anatomía del ribosoma en detalle está dada en la Figura 17.15
Los ribosomas eucariotas y procariotas son similares en estructura y función, pero los ribosomas eucariotas son un poco más grandes y difieren un poco en composición Algunos antibióticos como la tetraciclina y la estreptomicina afectan los ribosomas procariota, pero no tiene efecto en los ribosomas eucariota Esto es lo que permite que estos antibióticos puedan utilizarse para tratar infecciones bacterianas

57 La anatomía del ribosoma en detalle está dada en la Figura 17.15
Tiene un lugar para enlazar al mRNA Tiene tres lugares de enlace de tRNA llamados E, P, A Un tRNA encaja bien en el sitio A cuando el anticodón y el codón engranan bien

58 La anatomía del ribosoma en detalle está dada en la Figura 17.15
En el sitio A estará el próximo amino ácido que va a ser añadido a la cadena La "A" implica que en este lugar se enlaza el amino ácido activado, (aminoacil tRNA), o sea el tRNA que tiene enlazado un amino ácido y que lo trae para añadirlo al péptido

59 La anatomía del ribosoma en detalle
Figura 17.15 En el sitio P mantiene el péptido creciente, aquí hay un tRNA conteniendo el péptido que se está formando La "P" implica que en este lugar está el "peptidyl tRNA", el péptido Los tRNA salen del ribosoma a través del sitio E y van a buscar otros amino ácidos La "E" implica que desde este lugar salen ("exit") los tRNA

60 Traduccion en detalle Iniciación Extensión Terminación

61 Figure 17.17 The initiation of translation
La iniciación reúne el mRNA, el tRNA cargando el primer amino ácido y las dos subunidades del ribosoma Lo primero que ocurre es que se enlaza el mRNA con la subunidad pequeña del ribosoma En eucariotas, el gorro en el terminal 5' (5' cap) le indica al ribosoma en qué región del mRNA tiene que enlazarse

62 Figure 17.17 The initiation of translation
Luego se enlaza un tRNA con el anticodón UAC, que parea con el codón de iniciación AUG, que codifica para metionina Se enlaza la subunidad grande y el tRNA inicial queda en el sitio P El sitio A queda disponible para que se enlace el próximo tRNA Este ensamblaje requiere energía que es suplida por GTP; además se requieren unas proteínas conocidas como factores de iniciación de traducción

63 Figure 17.18 The elongation cycle of translation
Figura 17.18 Durante la extensión, se van añadiendo amino ácidos, uno a uno Para la adición de los amino ácidos se requieren energía (GTP) y unas proteínas llamadas factores de elongación La adición de amino ácidos ocurre en tres pasos (Figura 17.18):

64 Figure 17.18 The elongation cycle of translation
Figura 17.18 1) Reconocimiento del codón - un aminoacil tRNA se enlaza al codón en el sitio A 2) Formación del enlace peptídico - el ribosoma cataliza la formación de un enlace peptídico entre: El terminal amino del amino ácido nuevo y El terminal carboxilo del péptido creciente; El péptido creciente queda localizado en el sitio A

65 Figure 17.18 The elongation cycle of translation
Figura 17.18 3) Transposición (translocation) - el tRNA en el sitio A, junto al mRNA se mueve al sitio P El tRNA en el sitio P se mueve al sitio E y es liberado del ribosoma

66 Figure 17.19 The termination of translation
Figura 17.19 Ocurre terminación de traducción cuando un codón de terminación llega al sitio A y una proteína llamada "factor de liberación", en lugar de un tRNA, entra al ribosoma El factor de liberación rompe el enlace entre el tRNA en el sitio P y el último amino ácido que se añadió al polipéptido El polipéptido se libera del ribosoma

67 Figure 17.19 The termination of translation
Figura 17.19 Se disocian las dos subunidades del ribosoma y los otros componentes En la Figura se muestra un resumen de transcripción y traducción en la célula eucariota Poli-ribosomas se refiere a múltiples ribosomas traduciendo un mRNA simultáneamente.

68 Figure 17.25 A summary of transcription and translation in a eukaryotic cell

69 Terminación de traducción (Figura 17.19)
El Dogma central establece el orden en que fluye la información: DNA  RNA  Proteínas Un gene puede transcribirse muchas veces y un mRNA puede traducirse muchas veces Algunos genes son convertidos en mRNA, pero NO en proteínas; algunos ejemplos son los genes que codifican para rRNA y tRNA Transcripción y traducción son similares en eucariotas y procariotas La diferencia principal es el procesamiento por el que pasa el mRNA en el núcleo de la célula eucariota 

70 Table 17.1 Types of RNA in a Eukaryotic Cell

71 Las mutaciones pueden afectar la estructura y función de las proteínas
Las mutaciones son cambios en el material genético de una célula o un virus Algunas mutaciones sólo afectan un par de bases en el gene (un nucleótido y el nucleótido en la hebra complementaria), por lo que se conocen como mutaciones de punto Si la mutación de punto ocurre en un gameto, la misma puede transmitirse a la progenie Si la mutación tiene un afecto adverso en el fenotipo de un humano o animal, la condición mutante se conoce como un desorden genético o enfermedad hereditaria

72 Las mutaciones pueden afectar la estructura y función de las proteínas
Ejemplo: enfermedad "sickle cell",se asocia a una mutación de punto en el gene que codifica para uno de los polipéptidos de la hemoglobina Hay una mutación de punto, se cambia T por A Esto provoca una sustitución, ácido glutámico es sustituido por valina Se produce una hemoglobina alterada que provoca que la célula se torne con una depresión en el centro. Figura 5.21

73 Figure 17.23 The molecular basis of sickle-cell disease: a point mutation

74 Las mutaciones pueden afectar la estructura y función de las proteínas
1) Sustituciones - son mutaciones de punto donde cambia un solo par de bases (un nucleótido y su par complementario) (Figura 17.24) Hay varios tipos: Sustitución silente - no cambia el amino ácido Mutación con sentido equivocado - provoca cambio en el amino ácido Mutación sin sentido – cambia amino ácido por codón de terminación

75 Las mutaciones pueden afectar la estructura y función de las proteínas
Figura 17.24 2) Inserciones y remociones - es la adición o pérdida de uno o más nucleótidos en el gene Éstas cambian el marco de lectura (ORF) de los codones y se llaman mutaciones de cambio en el marco de lectura Normalmente estas mutaciones tienen un efecto desastroso porque cambian el marco de lectura (ORF) en el mRNA

76 Las mutaciones pueden afectar la estructura y función de las proteínas
Las mutaciones pueden ocurrir por: Errores en la replicación del DNA Errores en la reparación del DNA Recombinación genética Estas mutaciones se conocen como mutaciones espontáneas Hay agentes químicos y físicos que interactúan con el DNA y que provocan mutaciones Éstos se conoces como mutágenos Algunos ejemplos de mutágenos son la luz ultravioleta y los rayos X

77 Analizar la siguiente secuencia genética:
3'TAC AAA GAG TAA CAC AGT GGG TGG CGT GTG TTT TCC ATT5‘

78 Analizar la siguiente secuencia genética:
DNA 3'TAC AAA GAG TAA CAC AGT GGG TGG CGT GTG TTT TCC ATT5‘ mRNA Proteína tRNA

79 Resumen

80 Preguntas