EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO

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1 EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO

2 PRIMERAS HIPÓTESIS Un gen, una proteína:
Un gen, un enzima: Beadle y Tatum. Hongo Neurospora crassa. La alteración de un gen inhibía el funcionamiento de un enzima. Un gen, una proteína: Pauling. Proteína hemoglobina. La alteración de un gen modifica su estructura. Un gen, una cadena polipeptídica

3 ADN PORTADOR DEL MENSAJE GENÉTICO: EXPERIMENTO DE GRIFFITH
Griffith utilizó dos cepas de Streptococcus pneumoniae: Cepa R (de “rough” en inglés), forma colonias de superficie rugosa, sin cápsula y NO VIRULENTAS. Cepa S (de “smooth” en inglés), forma colonias de superficie lisa, con una cápsula de polisacáridos englobando las bacteria de dos en dos y protegiéndolas del ataque de los fagocitos, es VIRULENTA, produce la neumonía y muerte del ratón. Mezcla de cepas S muertas y cepas R vivas Cepas S vivas Cepas R vivas Cepas S muertas Cepas S vivas Griffith llamó a este fenómeno transformación y supuso la existencia de un principio transformante procedente de las S muertas que había transformado a las R, no virulentas, en S, sí virulentas. Más tarde, Avery y colaboradores inocularon a R con diferentes moléculas de S y comprobaron que se transformaban al inocular ADN, por lo que el ADN se consideró el principio transformante.

4 ESTRUCTURA DE LOS GENES
Un gen es la región del cromosoma con dos tipos de secuencias: Reguladora, como los promotores. Estructural, con exones (regiones codificantes)e intrones (regiones no codificantes) Su función es conservar, almacenar, transmitir, expresar y regular la información genética.

5 DIFERENCIAS GENES PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
La mayor parte del ADN codifica para síntesis de proteínas. La mayor parte del ADN no codifica para la síntesis de proteínas. No hay intrones, los genes son continuos. Genes divididos en exones (fragmentos codificadores) e intrones (fragmentos no codificadores) ADN no repetitivo, cada molécula de ADN contiene solo una copia de cada gen. Altamente repetitivo, existen secuencias repetidas miles de veces.

6 DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
2 3 Flujo de información gracias a la complementariedad de bases entre el ADN y el ARNm y entre éste y el ARNt ADN ARNm Proteína TRANSCRIPCIÓN TRANSCRIPCIÓN INVERSA DUPLICACIÓN TRADUCCIÓN 1 5 4 DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN del ADN: el ADN se copia. TRANSCRIPCIÓN: a partir del ADN se obtiene ARNm que lleva la información del ADN desde el núcleo a los ribosomas del citoplasma para la síntesis proteica. TRADUCCIÓN: desde ARNm a aminoácidos, con intervención del ARNt y del ARNr. RETROTRANSCRIPCIÓN O TRANSCRIPCIÓN INVERSA: los virus con ARN poseen un enzima, la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa que sintetiza ADN complementario del ARN vírico. DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN del ARN: en virus bacteriófagos, el ARN puede copiarse, no necesitan transcripción 1 2 3 4 5

7 HIPÓTESIS SEMICONSERVATIVA HIPÓTESIS CONSERVATIVA
REPLICACIÓN DEL ADN Proceso mediante el cual a partir de una molécula de ADN se sintetizan dos con la misma secuencia que el original, se lleva a cabo durante la fase S de interfase, necesario para la división celular, en citosol en procariotas y núcleo en eucariotas. HIPÓTESIS SEMICONSERVATIVA HIPÓTESIS CONSERVATIVA HIPÓTESIS DISPERSIVA Las moléculas hijas están formadas por una hebra original y otra nueva. La nueva molécula de ADN está formada por dos cadenas nuevas, la original queda intacta. La molécula original y la hija poseen fragmentos nuevos y otros originales. Cadena antigua Cadena nueva

8 REPLICACIÓN: ENZIMAS QUE INTERVIENEN (I)
4 6 1 2 1 3 5

9 REPLICACIÓN: ENZIMAS QUE INTERVIENEN (II)
ADN-polimerasas, catalizan la formación de enlaces fosfodiester en sentido 5’ 3’ y corrección de errores (corrección postreplicativa) Topoisomerasas, desenrollan la doble hélice (ejemplo ADN-girasa) Helicasas, abren la doble hélice al romper los puentes de hidrógeno entre bases complentarias. Primasas, son ARN-polimerasa-ADN-dependientes, catalizan la formación de un cebador, fragmento de ARN indispensable para iniciar el proceso. Proteínas SSB (Single-stranded DNA binding proteins), proteínas estabilizadoras, evitan que se vuelva a enrollar la doble hélice, (RPA en eucariotas) ADN-ligasas, unen los fragmentos que van a formar una cadena.

10 PROCESO DE REPLICACIÓN: DESENROLLAMIENTO Y APERTURA
Desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Elongación. Corrección de errores. DESENROLLAMIENTO Y APERTURA: Topoisomerasas, desenrollan la doble hélice. Helicasas, rompen enlaces de hidrógeno entre bases complementarias separando las dos cadenas. Proteínas SSB en procariotas o RPA en eucariotas las mantienen separadas. La replicación comienza en el origen de replicación donde se forma una burbuja de replicación, en cuyos extremos aparecen sendas horquillas de replicación (por su forma de “Y”)

11 PROCESO DE REPLICACIÓN: ELONGACIÓN (I)
La replicación se produce en las dos cadenas a la vez y en ambos sentidos, se dice que es bidireccional. Enzima encargado: ADN-polimerasa, que debe solventar dos problemas: Se desplaza por la hebra molde en sentido 3’ → 5’, de modo que cataliza la formación de enlaces fosfodiester en sentido 5´→ 3’, es decir la nueva hebra será 5´→ 3’. Como las cadenas son antiparalelas, la de sentido 3’ → 5’ se replica de manera continua pero la de sentido 5´→ 3’ lo hace de forma discontinua, mediante fragmentos denominados fragmentos de Okazaki. La cadena con replicación continua se denomina conductora y la otra retardada. No puede iniciar la replicación por sí sola, necesita un fragmento previo sintetizado por una primasa (ARN-polimerasa-ADN-dependiente) que origina un corto fragmento de ARN, el cebador o primer, en cuyo extremo 3’-OH libre la ADN-polimerasa puede añadir nucleótidos., tanto en la hebra conductora como en cada fragmento de Okazaki. Todos los cebadores son eliminados por nucleasas y posteriormente sustituidos por ADN mediante elongación de los fragmentos de Okazaki adyacentes. En eucariotas en el extremos 5’ son sustituidos por la telomerasa ( ADN-polimerasa no “lee” en sentido 5’ → 3’) Los fragmentos de Okazaki se unen mediante ligasas.

12 PROCESO DE REPLICACIÓN: ELONGACIÓN (II)

13 PROCESO DE REPLICACIÓN: ELONGACIÓN (III)

14 PROCESO DE REPLICACIÓN: ELONGACIÓN (IV)

15 PROCESO DE REPLICACIÓN: CORRECIÓN DE ERRORES
CORRECCIÓN post-replicativa, llevada a cabo por una maquinaria enzimática que corrige los errores cometidos por la ADN-polimerasa, además de la actividad autocorrectora de la propia ADN-polimerasa.

16 DIFERENCIAS REPLICACIÓN PROCARIOTA Y EUCARIOTA
PROCARIOTAS EUCARIOTAS citosol Núcleo ADN polimerasa I (relleno de huecos en la reparación de errores y replicación), II (reparación alternativa) y III (polimerasa activa) ADN polimerasa α,β,γ,δ y ε Un punto de orígen de la replicación y un replicón (unidad de replicación) Cientos de puntos de origen de la replicación y replicones Sin actividad telomerasa (ADN circular) Con actividad telomerasa (ADN lineal) (1*) Mayor tamaño de los fragmentos de OKazaki Menor tamaño de los fragmentos de Okazaki No histonas Si histonas, por lo que la replicación debe estar coordinada con su síntesis (2*) Mayor velocidad replicación Menor velocidad de replicación, las histonas dificultan el movimiento de la ADN Polimerasa (1*) La actividad telomerasa disminuye con la edad, de modo que existe una relación entre acortamiento telomérico (extremo del cromosoma), ausencia de telomerasa y envejecimiento celular. (2*) La hebra conductora y su molde “se quedan” con las histonas de la molécula antigua, mientras que las nuevas histonas serán para la hebra retardada y su molde.

17 PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN
Proceso por el que se sintetiza una molécula de ARN complementaria de un fragmento (gen) de una de las cadenas de ADN. Fases: Iniciación, la ARN-polimerasa reconoce al promotor (región con secuencias consenso) que le indican el lugar de inicio de la transcripción y en qué cadena. Elongación, la ARN-polimerasa, desenrolla, separa las dos cadenas de ADN y une los ribonucleótidos complementarios. En eucariotas en el extremo 5’ se une un resto de metilguanosina trifosfato (protege de las nucleasas) Finalización, la ARN-polimerasa llega al terminador (región del ADN) separándose. En eucariotas se añade en el extremo 3’ un resto de poliA(más de 200 adeninas, facilitan el transporte) Maduración, el ARN resultante (ARN transcrito primario o heterogéneo nuclear o precursor) posee regiones llamadas intrones ( no codifican para aminoácidos) y exones (sí codifican). Un sistema enzimático (ribonucleoproteína pequeña nuclear, RNPpn) reconoce, corta y retira los intrones, proceso denominado SPLICING. Dichos enzimas se asocian a otras proteínas formando una estructura de tamaño similar a un ribosoma denominada ESPLICEOSOMA. Posteriormente ligasas empalmarán los intrones. Todos los ARN (m, r y t) provienen de la maduración del transcrito primario, excepto el ARNm en procariotas.

18 Unidad de transcripción
TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS (I) INICIACIÓN, la ARN-polimerasa reconoce al promotor (región con secuencias consenso) que le indican el lugar de inicio de la transcripción y en qué cadena. Promotor Unidad de transcripción 5’ 3’ 1 Iniciación 3’ 5’ ARN ARN-polimerasa 5’ 3’ 3’ 5’ ELONGACIÓN, la ARN-polimerasa, desenrolla, separa las dos cadenas de ADN y une los ribonucleótidos complementarios. En eucariotas en el extremo 5’ se une un resto de metilguanosina trifosfato (protege de las nucleasas) m7-Gppp Capucha 5' 2 Elongación 5’ 3’ 3’ 5’ m7-Gppp

19 ARN heterogéneo nuclear
TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS (II) 5’ 3’ 3 Finalización 3’ 5’ FINALIZACIÓN, la ARN-polimerasa llega al terminador (región del ADN) separándose. En eucariotas se añade en el extremo 3’ un resto de poliA(más de 200 adeninas, facilitan el transporte) PoliA-polimerasa m7-Gppp Capucha 5' OH ARN heterogéneo nuclear Cola de poli-A m7-Gppp Capucha 5' OH

20 TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS (III)
4 3’ Maduración 5’ Exón 1 Intrón Exón 2 (Ribonucleoproteína pequeña nuclear) Proteína Dichos enzimas se asocian a otras proteínas formando una estructura de tamaño similar a un ribosoma denominada ESPLICEOSOMA. Posteriormente ligasas empalmarán los intrones. Todos los ARN (m, r y t) provienen de la maduración del transcrito primario. RNPpn Espliceosoma MADURACIÓN, el ARN resultante (ARN transcrito primario o heterogéneo nuclear o precursor) posee regiones llamadas intrones ( no codifican para aminoácidos) y exones (sí codifican). Un sistema enzimático (ribonucleoproteína pequeña nuclear, RNPpn) reconoce, corta y retira los intrones, proceso denominado SPLICING. 5’ 3’ Exón 1 Exón 2 ARNm 5’ 3’ Intrón

21 TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS
Promotor 5’ 3’ ARN-polimerasa ARN Iniciación Elongación Finalización ARN transcrito completo

22 DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
Citosol Núcleo Un tipo de ARN polimerasa ARN polimerasa I (ARNr), II(ARNm) y III (ARNt y un tipo de ARNr) Se puede transcribir todo el ADN en cualquier momento Solo se puede transcribir el ADN de la eucromatina El ARN transcrito primario no porta restos en sus extremos El ARN transcrito primario lleva: Resto metil-guanosina trifosfato (extremo5’) Resto poli-A (extremo 3’) El ARN transcrito primario actúa como ARNm sin necesidad de maduración, pero es precursor del ARNr y ARNt El ARN transcrito primario sufre el proceso de maduración (splicing) para originar el ARNm, ARNr y ARNt ARNm policistrónico (codifica para más de una cadena polipeptídica) ARNm monocistrónico (codifica para una sola cadena polipeptídica)

23 EL CÓDIGO GENÉTICO (I) Relación de correspondencia entre las bases nitrogenadas del ARNm y los aminoácidos que codifica. Necesario para el proceso de traducción del mensaje expresado por combinación de 4 bases (A,G,C,U) del ARNm a otro expresado por combinación de 20 aminoácidos. Formado por tripletes de bases, codones, cada uno de los cuales codifica para un aminoácido. Como hay 4 bases y se combinan de 3 en 3, pudiéndose repetir (VR4,3 = 43 =64)

24 EL CÓDIGO GENÉTICO (II)
Características: Es “casi” universal, con pocas excepciones, en mitocondrias de algunos mamíferos incluido el ser humano (el triplete UGA no es fin sino Trp) y bacterias. Como hay 64 tripletes y solo 20 aminoácidos proteicos, cada aminoácido viene codificado por más de un triplete, se dice que el código está degenerado y además el número de tripletes varía de 2 a 6 (codones sinónimos), es decir la degeneración no es uniforme. Los tripletes son contiguos, sin separaciones y sin solapamiento (no comparten bases) El codón AUG además de codificar para la metionina, actúa como triplete de inicio. De los 64 codones, 61 son con sentido (codifican para aminoácidos), los otros 3, UAG, UAA, UGA indican fin de la traducción.

25 PROCESO DE TRADUCCIÓN (I)
Proceso mediante el cual se transforma la información contenida en la secuencia de bases del ARNm en una secuencia de aminoácidos contenida en una proteína. Intervienen: 1. ARNm 2. ARNr 3. ARNt 4. Enzimas 5. Factores proteicos 6. Nucleótidos trifosfato 7. aas Fases: 1. Activación aas 2. Iniciación 3. Elongación 4.Terminación En el extremo 3’ todos tienen la secuencia CCA sin aparear, es el brazo aceptor porque en la ribosa de la A se une el aa. 1 En el extremo 5’ siempre hay una G con su fosfato libre Brazo aceptor 4 3 Brazo T Se une al Aminoacil-ARNt-sintetasa que cataliza la unión del ARNt con el aa. Brazo D Lugar de reconocimiento del ribosoma Brazo anticodón (brazo A) 2 Posee un triplete de bases, anticodón, complementario a algún codón del ARNm.

26 PROCESO DE TRADUCCIÓN (II): ACTIVACIÓN AMINOÁCIDOS, SÍNTESIS DE LOS AMINOACIL ARNt
Existe un ARNt específico para cada aminoácido. El grupo -COOH del aminoácido se une al grupo –OH de la ribosa de la adenina del extremo 3’ del ARNt. Para que se lleve a cabo la unión es necesaria la activación previa del aminoácido mediante ATP aa1 + ARN-t1 + ATP ARN-t1-aa1 + AMP + PPi Aminoacil-ARNt-sintetasa

27 PROCESO DE TRADUCCIÓN (III): INICIACIÓN,COMPLEJO ACTIVO
Una subunidad ribosómica pequeña se une a una región del ARNm, el líder (sus nucleótidos son complementarios). La subunidad se desplaza por el ARNm hasta encontrar el triplete de iniciación, AUG (Met). A este codón se une, mediante enlaces de H, el primer aminoacil-ARNt, el que lleva el anticodón complementario a la Met. A continuación llega la subunidad ribosómica mayor, formándose el complejo ribosomal o complejo activo, interviniendo los factores de iniciación con gasto de GTP. La subunidad ribosómica mayor tiene tres lugares o centros: Lugar peptidílico (P): donde encaja el primer aminoacil-ARNt. Lugar aminoacílico (A) o aceptor: donde se coloca el siguiente aminoacil-ARNt. Lugar de salida (E): donde se coloca el ARNt que ya ha dejado su aminoácido.

28 INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS
PROCESO DE TRADUCCIÓN (IV): INICIACIÓN,COMPLEJO ACTIVO Aminoácido INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS ARNt Anticodón 3’ U Metionina 5’ Subunidad mayor A C 5’ A U 3’ G ARNt iniciador E A GDP GTP 3’ 3’ 5’ 5’ ARNm Factores de iniciación Subunidad menor Complejo activo

29 PROCESO DE TRADUCCIÓN (V): ELONGACIÓN
El codón siguiente al AUG recibe su aminoacil-ARNt específico que ocupa el lugar aminoacílico (A), se une por enlaces de H y con gasto de GTP. Tenemos dos aminoácidos, la met y el siguiente, que se unen mediante enlace peptídico catalizado por la Peptidil-transferasa que además transfiere el péptido que se va formando al ARNt que ocupa el lugar A, quedando sin aminoácido el del lugar peptidílico (P). Translocación ribosomal: el ribosoma se desplaza sobre el ARNm con intervención de los factores de elongación y gasto de GTP. El ARNt sin aminoácido pasa al lugar de salida (E), el ARNt con el dipéptido al P quedando el sitio A libre para otro nuevo aminoacil-ARNt.

30 PROCESO DE TRADUCCIÓN (VI): ELONGACIÓN
ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA Aminoácido El aminoácido se traslada al otro ARNt Enlace peptídico ARNt Anticodón E A GDP E E GDP A E GTP GTP 3’ 3’ 3’ 5’ 5’ 5’ 5’ Translocación ribosomal: Factores de elongación Complementariedad entre codón y anticodón Peptidil-transferasa: Enlace peptídico. Transferencia péptido

31 FINALIZACIÓN DE LA SÍNTESIS
PROCESO DE TRADUCCIÓN (VII): TERMINACIÓN FINALIZACIÓN DE LA SÍNTESIS Polipéptido libre Separación del ARNm y las subunidades ribosómicas Último ARNt E P E 3’ 3’ 5’ 5’ Factor de liberación El codón de finalización puede ser UAA, UAG o UGA Cuando el codón que queda en el lugar A es el de STOP, es decir, UAA, UAG, UGA. Intervienen factores de terminación con gasto de GTP. Se desprende la cadena polipeptídica formada, de nuevo con gasto de GTP, separándose después las subunidades ribosómicas

32 DIFERENCIAS TRADUCCIÓN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
Aminoácido de inicio: N-Formil-metionina Aminoácido de inicio: Metionina Varios lugares de iniciación en el ARNm Un lugar de iniciación en el ARNm Menor número de factores de iniciación Mayor número de factores de iniciación Varios factores de terminación Un factor de terminación

33 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS (I): EL OPERÓN
Operón: conjunto de genes que codifican para proteínas diferentes y localización cercana para que la regulación se realice de forma coordinada. Elementos: Genes estructurales: codifican la síntesis de proteínas, los que se van a expresar. Gen regulador (R): codifica la síntesis de la proteína que actúa como represor que controla la expresión génica. Promotor (P): región del ADN donde se une el ARN-polimerasa. Operador (O): región del ADN al que se une el represor impidiendo el avance del ARN-polimerasa, se interrumpe la transcripción y los genes no se expresan. Inductor, compuesto que se une al represor y le inactiva. EL represor se separa del operador dejando libre el paso del ARN-polimerasa, la transcripción se realiza y los genes se expresan.

34 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS (II): EL OPERÓN LACTOSA
Operón Lactosa de Escherichia coli, para regular los enzimas que intervienen en la degradación de la lactosa como fuente de energía: la lactosa actúa como inductor.