Replicación y Transcripción del ADN Genética molecular I Replicación y Transcripción del ADN

Genética molecular 2

Cepas S vivas Cepas R vivas 3

Cepas S muertas y R vivas Cepas S muertas Cepas S vivas 4

Conclusión: Las bacterias S muertas podían transmitir un “factor transformante” a las R , convirtiéndolas en patógenas (sintetizan la cápsula polisacárida) 5

Dogma Central de la Biología Molecular (Crick, 1970) Del gen a la proteína Dogma Central de la Biología Molecular (Crick, 1970) Crick: Hipótesis de la colinealidad: correspondencia entre la secuencia de nucleótidos de un gen y la secuencia de aa de la enzima que el gen codifica. Concepto moderno de gen Cualquier secuencia de ADN que se transcribe como una unidad de ARN, incluyendo así todo tipo de ARN y la posibilidad de que un mismo ARNm sirva para sintetizar varias proteínas relacionadas en lugar de una sola. 6

La replicación del ADN 3 3ª) El ADN se replica de manera dispersiva. Las cadenas progenitoras se rompen a intervalos y se combinan con los segmentos nuevos. Esta controversia fue resuelta por Messelson y Sthal, gracias a unos experimentos que llevaron a cabo en E.coli 7

Hipótesis semiconservativa Hipótesis conservativa Hipótesis para explicar la replicación del ADN. Hipótesis semiconservativa Hipótesis conservativa Hipótesis dispersiva Cadena antigua Cadena nueva

Replicación del ADN en bacterias FASE DE INICIACIÓN: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice Punto de iniciación (oriC) Horquilla de replicación Horquilla de replicación     Topoisomerasa (girasa) Helicasa Burbuja u ojo de replicación Proteína estabilizadora (SSB) 9

 FASE DE ELONGACIÓN: Síntesis de nuevas hebras de ADN (5’-3’) Hebra molde 3’ 5’ 5’ Una de las hebras se sintetiza de modo continuo. Es la conductora o líder. 3’ Fragmentos de Okazaki 5’ 3’ La ADN polimerasa necesita un fragmento de ARN (cebador o primer) con el extremo 3’ libre para iniciar la síntesis. 3’ 5’ 3’ La otra hebra se sintetiza de modo discontinuo formándose fragmentos que se unirán más tarde. Es la retardada. Enzimas que intervienen ARN polimerasa (primasa) ADN polimerasa III ADN polimerasa I ADN ligasa 10

La ADN pol. I: tiene actividad exonucleasa y elimina los ARN cebadores La ARN primasa (ARN polimerasa ADN dependiente) sintetiza el cebador (un pequeño fragmento de ARN) La ADN pol. III añade dnucleótidos complementarios en el sentido 5’→ 3’ Al ser las cadenas antiparalelas, en una hebra la síntesis es continua pero en la otra es discontinua (hebra retardada) y se forman los fragmentos de Okazaki. Se dice que la síntesis es semidiscontinua La ADN pol. I: tiene actividad exonucleasa y elimina los ARN cebadores Origen de la replicación Iniciación Proteínas estabilizadoras Burbuja de replicación ADN pol III Helicasa Elongación Hebra conductora Hebra retardada Horquilla de replicación ADN pol I Primasa ADN-ligasa ADN pol III Dirección general de la replicación

1 La primasa sintetiza un cebador en cada hebra de la burbuja de replicación. 2 Las ADN polimerasa comienzan la síntesis de la hebra conductora por el extremo 3’ de cada cebador. Cebador Primasas Cebador 3 La primasa sintetiza un nuevo cebador sobre cada hebra retardada. 4 La ADN polimerasa comienza a sintetizar un fragmento de ADN a partir del nuevo cebador. Hebra retardada Hebra retardada 5 Cuando la ADN polimerasa llega al cebador de ARN, lo elimina y lo reemplaza por ADN. 6 La ligasa une los fragmentos de ADN. Nuevo cebador Ligasas Nuevo cebador 12

FASE DE TERMINACIÓN La ADN ligasa une todos los fragmentos (se requiere ATP) Las hebras se vuelven a enrollar CORRECCIÓN DE ERRORES La ADN pol. ll : actividad exonucleasa Los errores son heredables (mutación puntual ó génica) variabilidad evolución de las especies. 13

http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120076/micro04.swf 14

Replicación del ADN en células eucariotas Varios orígenes de replicación (varios ojos de replicación). Replicones. Fragmentos de Okazaki más pequeños (100 a 200 nucleótidos). Se produce de forma coordinada la síntesis de las proteínas histonas. Los nucleosomas ralentizan la actuación de las ADN polimerasas. Existen un total de cinco ADN polimerasas. El telómero se va acortando procesos de envejecimiento y muerte celular. relacionado 15

Replicación del ADN en eucariotas http://www.bioygeo.info/Animaciones/DNA_replication_3.swf numerosos replicones 16

El mecanismo de duplicación del ADN en eucariotas Hebra conductora Origen de la replicación Origen de la replicación Hebra retardada Horquilla de replicación Hebra retardada Burbujas de replicación Nucleosomas Hebra conductora Nuevos nucleosomas

La expresión de los genes La expresión de los genes ocurre en dos etapas sucesivas: Transcripción y Traducción Transcripción Es el proceso mediante el cual se copia la información (secuencia de nucleótidos) de un fragmento del ADN, el correspondiente a un gen, en el ARN. Por consiguiente mediante la transcripción se va a sintetizar una molécula de ARN.

MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN Intervienen ADN: cadena molde: se transcribe cadena informativa: Ribonucleótidos trifosfatos de A, G, C, y U ARN-polimerasas (Lee 3’-5’ y sintetiza 5’-3’) Principio de complementariedad de bases. - Cofactores sigma () y rho (). (ARNt, ARNr) Procariotas: Transcripción y Traducción a la vez y mismo lugar. Eucariotas: Transcripción: en el núcleo. Traducción: ribosomas. 19

CARACTERÍSTICAS Proceso mediante el cual el ARNm copia la información del ADN Es selectivo: sólo se transcriben algunas regiones del ADN Es reiterativo: un gen puede transcribirse muchas veces Sólo se copia una de las cadenas del ADN. Las enzimas son ARN polimerasas

Expresión génica en procariotas y eucariotas Genes G. continuos G. Fragmentados Exones, intrones ADN Asociado a pocas proteínas no histonas Densamente empaquetado. Cromatina ARN polimerasa 1 tipo 3 tipos: síntesis de ARNr, ARNm y ARNt

Expresión génica en procariotas y eucariotas Localización transcripción y traducción Citoplasma y procesos simultáneos Transcripción: núcleo. Traducción: citoplasma Tipos de genes Policistrónicos Monocistrónicos Maduración Sólo para ARNt y ARNm Para los tres tipos: ARNr, ARNm y ARNt

TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Precursor: nucleósido trisfosfato ARN pol.: varias subunidades. La subunidad σ reconoce el promotor como señal de inicio (una secuencia específica de nucleótidos) ARN pol. : añade ribonucleótidos 5´ 3´ Fin de la síntesis: una secuencia específica. 23

ARN transcrito completo Transcripción en procariotas Promotor 5’ 3’ ARN-polimerasa ARN Iniciación Elongación Finalización ARN transcrito completo

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Transcripción en eucariotas. Características: - Tres tipos de ARN pol. - Genes fragmentados: maduración (eliminación de intrones y unión de exones). - ADN asociado a histonas: nucleosomas.

Elementos que intervienen en la TRANSCRIPCION En este proceso intervienen unas enzimas llamadas ARN-polimerasas o ARN-pol que tienen las siguientes características: Utilizan como molde una de las cadenas del fragmento de ADN y la van leyendo en sentido 3’5’ y van uniendo ribonucleótidos en sentido 5'3', teniendo en cuenta su complementariedad con los nucleótidos de la cadena del segmento de ADN que se utiliza como molde (hay que tener presente que en el ARN la base complementaria de la adenina es el uracilo). En el proceso para formar el ARN se utilizan ribonucleótidos trifosfatos (ATP, GTP, CTP y UTP). La energía necesaria para crear el enlace que une a los ribonucleótidos se obtiene de la hidrólisis de los mismos. Cada ribonucleótido trifosfato se hidroliza dando un grupo P-P, energía y un ribonucleótido monofosfato que se unirá mediante un enlace éster a la cadena de ARN en formación.

Etapas de la Transcripción de ARNm en eucariotas. 4 FASES: Iniciación, elongación, finalización y maduración 3’ 5’ ARNpolimerasa 3’ 5’ A U G U G C G G C U G C T A C A C G C C G A C G (i) ARN ADN 28

Iniciación: Una ARN‑polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el 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 29

2. Alargamiento o elongación: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5'3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil‑GTP en el extremo 5‘ con función protectora. 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 m-GTP 30

3. Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poliA‑polimerasa añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN, llamado ahora ARNm precursor, se libera. poliA-polimerasa m-GTP A U G C U C G U G U A G A A A A A ARNm precursor 31

Maduración: El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de maduración un sistema enzimático (Varias RNPpn: espliceosoma) reconoce, corta y retira los intrones y las ARN‑ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro. cola Cabeza ARNm AAAAAA AUG maduro UAG 32

Ribonucleoproteína pqña nuclear. Maduración: 5’ 3’ Exón 1 Intrón Exón 2 Proteína RNPpn Ribonucleoproteína pqña nuclear. Espliceosoma 5’ 3’ Intrón Exón 1 Exón 2 ARNm 5’ 3’

Maduración del ARNm (Visión de conjunto). Región codificadora del gen ADN Promotor E1 I1 E2 I2 E3 Terminador TAC ATC Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola ARNm AAAAAA precursor AUG UAG Cabeza cola ARNm maduro AAAAAA AUG UAG 34

Maduración. Comparación entre eucariotas y procariotas 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. ARNr ARNt ORGANISMOS EUCARIONTES Intrón Exón Exón El ARN transcrito primario sufre un proceso llamado splicing mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones. RNPpn Intrón Bucle Exón Un mismo gen puede madurar de diferentes maneras, según como se eliminen los intrones y exones A partir de un solo gen se pueden obtener diferentes proteínas. Splicing alternativo Bucle Punto de unión entre exones 35

DIFERENCIAS en la TRANSCRIPCIÓN EUCARIOTAS PROCARIOTAS Tiene lugar en el núcleo Tres ARN polimerasas ARN pol. I: transcribe ARNr ARN pol. lI: transcribe genes estructurales. ARNm ARN pol. III: transcribe ARNt y un ARNr ARN monocistrónico Procesado del ARNm Los nucleosomas intervienen en el proceso. Señal de terminación: TTATTT Región nucleoide Una ARN polimerasa ARN policistrónico No se procesa ARNm No hay nucleosomas. Señal de terminación: Palíndromo: GGGCCCTTCCCGGG Ejemplo de secuencia palindrómica: “dábale arroz a la zorra el abad” http://www-class.unl.edu/biochem/gp2/m_biology/animation/m_animations/gene2.swf 36