Introducción a la Biología Molecular

Contenido Celulas y organismos Las moléculas básicas de la vida El dogma central de la biologia molecular Los genes y la expresión génica @: La mayoría de las imágenes provienen de http://www.accessexcellence.org/ 15/11/2018

Células y organismos

Los seres vivos estan hechos de células Organismos Unicelulares: Una sola célula Procariotas: Bacterias, Levaduras Eucariotas: Protozoos Pluricelulares: Células eucariotas Distintos niveles de organización (ej: tejidos) Gran variedad en número, tipo o tamaño Los virus no son propiamente organismos 15/11/2018

Eucariotas “Eu” verdadero, “Karyo” Nucleo  Poseen núcleo celular, separado del citoplasma por una membrana DNA: doble cadena, que se organiza en cromosomas La célula posee múltiples orgánulos con membrana La reproducción sexual es habitual 15/11/2018

Procariotas No poseen núcleo DNA: Una sola cadena circular Sin orgánulos celulares Sin reproducción sexual aunque sí hay recombinación genética 15/11/2018

Virus Poseen acidos nucleicos y proteinas pero carecen de otras características Utilizan la maquinaria celular de sus huéspedes para replicarse NO pueden replicarse fuera del huesped NO son seres vivos 15/11/2018

Componentes celulares a escala 15/11/2018

Biomoléculas

Las biomoléculas fundamentales Los componentes básicos de los sistemas biológicos son Azucares (Hidratos de carbono) Grasas (Lípidos) Ácidos nucleicos Proteínas Azúcares y Lípidos no tienen un papel importante en lo que respecta a “información biológica” No se tratan aquí 15/11/2018

Ácidos nucleicos y proteínas Las moléculas que contienen y transportan la información son ADN (4 nucleótidos distintos) Contiene codificada la información biológica ARN (4 nucleótidos distintos) LLeva información del ADN a las proteinas Proteinas (20 aminoácidos distintos) Función y estructura de los seres vivos 15/11/2018

Los nucleótidos Componentes básicos de los ácidos nucleicos Constan de Un azúcar (Ribosa o Desoxirribosa) Una base nitrogenada Un grupo fosfato En la jerga biológica se habla de “bases” en vez de nucleótidos para describir una cadena (3000bp=3000 pares de bases) 15/11/2018

Los nucleótidos del ADN 15/11/2018

El apareamiento entre bases complementarias 15/11/2018

La estructura primaria del ADN Es una secuencia de nucleótidos que Forma un polímero no ramificado Se organiza en una doble cadena atgaatcgta ggggtttgaa cgctggcaat acgatgactt ctcaagcgaa cattgacgac ggcagctgga aggcggtctc cgagggcgga 15/11/2018

ADN vs ARN El ADN se organiza en una doble helice complementaria. El ARN no Una de los cuatro bases es distinta ADN A, C, G, T ARN  A, C, G, U Difieren en el azucar de los nucleótidos ADN Desoxiribosa ARN  Ribosa 15/11/2018

Sentido de las cadenas de DNA Cada cadena de DNA tiene una polaridad: La cadena empieza con el grupo 5'-hydroxyl (or 5'-phospho) del 1er nucleótido y Finaliza con el grupo 3'-hydroxyl del último nucleotido La cadena va en sentido 5' a 3' ("Five prime to three prime") Las dos cadenas de DNA son antiparalelas Una de ellas va 5'  3' y la otra 3'  5'. 15/11/2018

5’  3’ y viceversa 15/11/2018

Las proteínas Secuencias de aminoácidos que Forman un polímero sin ramificar Hay 20 AA distintos La clave de la función de las proteínas se encuentra en su estructura tridimensional 15/11/2018

Los aminoácidos 15/11/2018

Las proteinas se “pliegan” 15/11/2018

Estructuras de orden superior Las proteinas se pliegan de distintas formas (de menor a mayor nivel de complejidad) E. secundaria: Local en la secuencia E. terciaria: Plegamiento en 3 dimensiones de una cadena E. cuaternaria: Empaquetamiento de diversas cadenas 15/11/2018

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El dogma central de la biología molecular

El dogma central El dogma central de la biología molecular establece que la información codificada en el DNA se traslada a las proteínas a través del RNA 15/11/2018

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Del DNA a las proteínas El DNA se replica en un complejo proceso en el que intervienen muchos enzimas: replicación El DNA se copia complementariamente en una cadena de RNA mensajero (mRNA) transcripción En las células eucariotas el mRNA se procesa eliminándose los fragmentos codificantes (“splicing”) y emigra del núcleo hacia el citoplasma El RNA mensajero transporta información codificada a los ribosomas (RNA ribosómico) que la “leen” y realizan la síntesis de proteínas traslación 15/11/2018

1. Replicación Animaciones (1), (2), (3) 15/11/2018 The major types of proteins, which must work together during the replication of DNA, are illustrated, showing their positions. When DNA replicates, many different proteins work together to accomplish the following steps:   The two parent strands are unwound with the help of DNA helicases. Single stranded DNA binding proteins attach to the unwound strands, preventing them from winding back together. The strands are held in position, binding easily to DNA polymerase, which catalyzes the elongation of the leading and lagging strands. (DNA polymerase also checks the accuracy of its own work!). While the DNA polymerase on the leading strand can operate in a continuous fashion, RNA primer is needed repeatedly on the lagging strand to facilitate synthesis of Okazaki fragments. DNA primase, which is one of several polypeptides bound together in a group called primosomes, helps to build the primer. Finally, each new Okazaki fragment is attached to the completed portion of the lagging strand in a reaction catalyzed by DNA ligase Animaciones (1), (2), (3) 15/11/2018

2. Transcripción Transcription Before the synthesis of a protein begins, the corresponding RNA molecule is produced by RNA transcription. One strand of the DNA double helix is used as a template by the RNA polymerase to synthesize a messenger RNA (mRNA). This mRNA migrates from the nucleus to the cytoplasm. During this step, mRNA goes through different types of maturation including one called splicing when the non-coding sequences are eliminated. The coding mRNA sequence can be described as a unit of three nucleotides called a codon. 15/11/2018

3. Procesado del RNA o splicing Process by which non-coding sequences of base pairs (introns) are subtracted from the coding sequences (exons) of a gene in order to transcribe DNA into messenger RNA (mRNA.) In chromosomes, DNA acts as a template for the synthesis of RNA in a process called transcription. In most mammalian cells, only 1% of the DNA sequence is copied into a functional RNA (mRNA). Only one part of the DNA is transcribed to produce nuclear RNA, and only a minor portion of the nuclear RNA survives the RNA processing steps. One of the most important stages in RNA processing isRNA splicing. In many genes, the DNA sequence coding for proteins, or "exons", may be interrupted by stretches of non-coding DNA, called "introns". In the cell nucleus, the DNA that includes all the exons and introns of the gene is first transcribed into a complementary RNA copy called "nuclear RNA," or nRNA. In a second step, introns are removed from nRNA by a process called RNA splicing. The edited sequence is called "messenger RNA," or mRNA. 15/11/2018

1DNA vs. 3 RNA’s 15/11/2018

4. La síntesis de proteínas El mRNA va al citoplasma donde se enlaza a los ribosomas Codon: unidad de información del mRNA El t-RNA complementario aporta el AA Los AA son enlazados a la proteina hasta completar la secuencia Animaciones (1), (2) The ribosome binds to the mRNA at the start codon (AUG) that is recognized only by the initiator tRNA. The ribosome proceeds to the elongation phase of protein synthesis. During this stage, complexes, composed of an amino acid linked to tRNA, sequentially bind to the appropriate codon in mRNA by forming complementary base pairs with the tRNA anticodon. The ribosome moves from codon to codon along the mRNA. Amino acids are added one by one, translated into polypeptidic sequences dictated by DNA and represented by mRNA. At the end, a release factor binds to the stop codon, terminating translation and releasing the complete polypeptide from the ribosome. One specific amino acid can correspond to more than one codon. The genetic code is said to be degenerate. 15/11/2018

4’ El código genético Amino acids specified by each codon sequence on mRNA. Key for the above table: Ala: Alanine Cys: Cysteine Asp: Aspartic acid Glu: Glutamic acidPhe: Phenylalanine Gly: GlycineHis: Histidine Ile: Isoleucine Lys: LysineLeu: Leucine Met: MethionineAsn: AsparaginePro: ProlineGln: GlutamineArg: ArginineSer: SerineThr: ThreonineVal: ValineTrp: TryptophaneTyr: TyrosisneA = adenine G = guanine C = cytosine T = thymine U = uracil DNA transfers information to mRNA in the form of a code defined by a sequence of nucleotides bases. During protein synthesis, ribosomes move along the mRNA molecule and "read" its sequence three nucleotides at a time (codon) from the 5' end to the 3' end. Each amino acid is specified by the mRNA's codon, and then pairs with a sequence of three complementary nucleotides carried by a particular tRNA (anticodon). Since RNA is constructed from four types of nucleotides, there are 64 possible triplet sequences or codons (4x4x4). Three of these possible codons specify the termination of the polypeptide chain. They are called "stop codons". That leaves 61 codons to specify only 20 different amino acids. Therefore, most of the amino acids are represented by more than one codon. The genetic code is said to be degenerate.   15/11/2018

Los genes y la regulación de la expresión génica

¿Que es un gen? Es la unidad funcional y física de la herencia que se transmite de una generación a sus descendientes Los genes son fragmentos de DNA La mayoría de los genes contienen la información necesaria para la síntesis de una proteína determinada 15/11/2018

Los componentes del gen 15/11/2018

Regulación de la expresión génica Los genes pueden estar “encendidos” o “apagados” Cada célula expresa (o activa o “enciende”) tan sólo una fracción de sus genes El resto de los genes están reprimidos (“apagados”) El proceso consistente en activar unos genes y reprimir otros es la regulación génica, La regulación génica determina El aspecto y función distintas de distintos tipos de células La capacidad de algunas células de reaccionar rápidamente a los cambios ambientales 15/11/2018

¿Como se regulan los genes? La regulación génica puede ocurrir en cualquier punto del proceso de expresión pero a menudo se produce durante la transcripción Señales ambientales o de otras células activan unas proteínas llamadas factores de transcripción Éstos se enlazan en las regiones reguladoras de los genes y aumentan o disminuyen el nivel de transcripción Controlan la cantidad de producto génico que produce el gen en cada momento 15/11/2018

Ejemplo: Activación de los genes Sin HGC (hormona glucocorticoide) los genes estan inactivos En presencia de HGC los genes se activan y se expresan (en bloque) The action of the glucocorticoid receptor is illustrated. On the left is shown a series of genes, each of which has various gene activator proteins bound to its regulatory region. However, these bound proteins are not sufficient on their own to activate transcription efficiently. On the right is shown the effects of adding an additional gene regulatory protein‹the glucocorticoid receptor in a complex with glucocorticoid hormone‹that can bind to the regulatory region of each gene. The glucocorticoid receptor completes the combination of gene regulatory proteins required for efficient initiation of transcription, and the genes are now switched on as a set. 15/11/2018

Las mutaciones La mutaciones son cambios genéticos producidas al azar o por la acción de agentes mutágenos (productos químicos, rayos X, radiación UV, etc) La mayoría son letales porque la secuencia original de AA y nucleótidos es el producto de millones de años de evolución  Producto de la selección natural (o no..) 15/11/2018

Las mutaciones a nivel molecular Una mutación conlleva un cambio en el orden de los nucleótidos en los genes Consideremos p.ej. el péptido Nucleotidos TAC TTA {C}GA TAA TGC ATT Codones mRNA- AUG AAU {G}CU AUU ACG UAA Secuencia AA- met asn ala ile thr stop Podemos cambiar un nucleótido (p.ej. “C””G”) por otro o bien eliminarlo 15/11/2018

Mutaciones puntuales M. puntual Sustitución de un nucleótido por otro Puede ser letal o inofensiva (debido a la degeneración del código) Nucleotidos TAC TTA {C}GA TAA TGC ATT Cambio CG TAC TTA {G}GA TAA TGC ATT Codones mRNA- AUG AAU {C}CU AUU ACG UAA Nueva sec. met asn pro ile thr stop Sec. original met asn ala ile thr stop 15/11/2018

M. “frameshift” Cambia la pauta de lectura Si se elimina un nucleótido cambio en el agrupamiento en codones Nucleotidos TAC TTA {C}GA TAA TGC ATT Supresión de C TAC TTA GA(T) AAT GCA TT? Codones mRNA- AUG AAU CU(A) UUA CGU UA? Nueva sec. met asn leu arg lys ??? Sec. original met asn ala ile thr stop 15/11/2018

Para saber más Un completo manual de genética Tutorial sobre control de la expresión www.google.es 15/11/2018