PATRICIA E. VELEZ V. & PEDRO A. MORENO T.

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1 PATRICIA E. VELEZ V. & PEDRO A. MORENO T.
ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR PATRICIA E. VELEZ V. & PEDRO A. MORENO T.

2 ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR
A NUESTRAS ADORABLES Y ENTRAÑABLES HIJITAS ANGELITA Y DANIELITA POR SU ALEGRIA Y SU MOTIVANTE INSPIRACION PARA ESTA OBRA   

3 PREFACIO Esta obra, denominada ATLAS ANIMADO DE BIOLOGIA MOLECULAR ha sido realizada para motivar de una manera gráfica, dinámica y amena a todo aquel que desea ampliar sus conocimientos básicos en Biología Molecular. Los temas de este trabajo digital, han sido organizados como Parte I y II. La Parte I, Estructura de los Genes, aborda los aspectos generales de los genes y los tipos de genes; y la Parte II, Mecanismos Moleculares del ADN, los procesos que suceden en la molécula de ADN. Los diagramas de una gran parte de esta obra han sido concebidos por los autores de la misma, como producto de años de docencia y de trabajo investigativo y formativo. Esperamos que esta modesta obra sea para el estudioso de la Biología Molecular un elemento motivante para la profundización en estos fascinantes modelos de mecanismos moleculares que suceden en la molécula de la herencia, el ADN, tanto como lo ha sido para nosotros!

4 ATLAS ANIMADO DE BIOLOGIA MOLECULAR
La presente obra digital tiene todos los derechos reservados. Este Atlas o cualquiera de sus partes no podrá ser reproducido ni archivado en sistemas recuperables, ni transmitidos en ninguna forma o por ningún medio, ya sean mecánicos o electrónicos, fotocopiadoras, grabaciones, o cualquier otro sin el permiso previo de los autores. Este Atlas esta protegido por leyes de copyright y tratados internacionales. La reproducción o distribución no autorizada de este Atlas o parte del mismo dará lugar a graves penalizaciones tanto civiles como penales y será objeto de cuantas acciones judiciales correspondan en derecho. Registro ISBN: Agradecimientos:  Esta obra permitió descubrir el talento de la estudiante de Ingeniería de Sistemas, Lorena Quenán, a quien queremos dar el reconocimiento por su trabajo. También queremos agradecer a la Vicerrectoría de Investigaciones de la Universidad del Cauca el apoyo logístico para la realización de esta obra.

5 ESTRUCTURA DE LOS GENES
ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR PARTE I ESTRUCTURA DE LOS GENES

6 AUTORES: Patricia Eugenia Velez V, M.Sc. Genética Humana
Docente Genética Molecular Departamento de Biología Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación Universidad del Cauca Pedro A. Moreno T., Doctor en Biología Celular y Molecular Department of Biology & Biochemistry University of Houston, Houston, TX, USA.

7 NOCIONES GENERALES Eucariota : Material Genético
Nociones Generales. En esta diapositiva, se muestra gráficamente la conformación de una célula Procariota y otra Eucariota. Observemos que las células Eucariotas poseen mitocondria, nucleolo, ribosoma, Aparato de Golgui, Retículo endoplásmico y núcleo entre otras. Las células Procariotas poseen mesosoma, cápsula, ribosoma, membrana celular, pared celular y nucleoide. Los organismos desde el punto de vista de la celularidad, se clasifican en Eucariotes y Procariotes. Los organismos Eucariotes, tienen su núcleo constituído por un nucleoplasma, donde se encuentra la cromatina (cromosomas) y una envoltura nuclear (doble membrana) que lo delimita, y que sirve de barrera selectivamente permeable a moléculas implicadas en el flujo de la información genética desde los cromosomas hacia el citoplasma. Los organismos Procariotes, no tienen esta membrana delimitante, y debido a ello, el material genético de estos organismos se encuentra disperso y difuso en una región del citoplasma, conocida como el nucleoide. Es de anotar que las células de los Procariotes conforman por si mismas microorganismos completos unicelulares, en tanto que las células de los organismos Eucariotes pueden ser organismos unicelulares (amoeba) o pluricelulares (hombre). Eucariota : Material Genético confinado en una estructura central llamada Núcleo Procariotas: Material Genético disperso en el citoplasma, no se encuentra confinado en una estructura.

8 FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
ADN TRANSCRIPCION Núcleo celular ARNt ARNr ARNm RIBOSOMA Flujo de la Información Genética. Aquí se observa que la información hereditaria almacenada en el ADN es Transcrita en el núcleo a ARNm, y esta molécula a su vez, es transportada fuera del núcleo celular en Eucariotes hacia los ribosomas localizados en el citoplasma para su Traducción a proteínas. También ciertos tipos de genes pueden ser transcritos a ARNr o a ARNt. En los Eucariotes la Transcripción y la Traducción son procesos sucesivos, mientras que en los Procariotes son procesos simultáneos. TRADUCCION Citoplasma celular PROTEÍNA

9 ESTRUCTURA QUIMICA DE LAS BASES NITROGENADAS
NH N HC NH2 O CH CH3 ESTRUCTURA QUIMICA DE LAS BASES NITROGENADAS Adenina (A) Citosina (C) Guanina (G) Timina (T) Estructura Química de las Bases Nitrogenadas. Las bases nitrogenadas están compuestas por dos tipos de moléculas, las Purinas y las Pirimidinas. Las Purinas tiene dos anillos unidos como la Adenina y la Guanina y las Pirimidinas, tienen un solo anillo de seis átomos como la Timina, Citosina y el Uracilo en el ARN.

10 ESTRUCTURA GENERAL DE UN NUCLEOTIDO
H H N ADENINA C N 7 6 5 C N 1 C H 8 9 C 2 4 C N 3 H N ADENOSINA (1b-9) 5’ MONOFOSFATO (AMP) FOSFATO O Estructura General de un Nucleótido. Un nucleótido, es la unidad monomérica de los ácidos nucleicos constituida por tres partes esenciales: 1) ácido fosfórico (mono, di o tri) 2) una pentosa o furanosa (ribosa para ARN y desoxirribosa para el ADN) y 3) una base nitrogenada (purina o pirimidina). La gráfica muestra la estructura química de una Adenina con sus posiciones atómicas numeradas. Obsérvese que la numeración en el azúcar tiene el superíndice prima para diferenciarlo de la numeración de la base. 5' O O - Pa O CH 2 4' 1' O - H H H H 3' 2' OH OH RIBOSA

11 ESTRUCTURA DEL ADN P B Deoxirribosa S Ribosa
Estructura del ADN. En la presente se observa (izquierda) la forma como se eslabonan las bases nitrogenadas con sus grupos fosfatos y los azucares. A la derecha se observan la estructura química de la desoxirribosa y la ribosa. Forma esquemática de la unión de los fosfatos (P), los azúcares (S)y las bases (B) en el ADN. Ribosa

12 BASES NITROGENADAS DEFINICIONES BASES Adenina (G) Guanina (G) Citosina (C) Timina (T) La combinación de una deoxirribosa y una base constituye un deoxinucleósido Deoxiadenosina Deoxiguanosina Deoxicitosina Deoxitimidina La combinación de un fosfato, una deoxirribosa y una base constituye un deoxinucleótido. Deoxiadenilato Deoxiguanilato Deoxicitidilato Deoxitimidilato D Deoxirribo: La pentosa no tiene un oxígeno en la posición 2. Compare una deoxirribosa con una ribosa N Nucleico: Estas moléculas se encontraron primero en el núcleo de la célula, antes habían sido encontradas en la mitocondria, los cloroplastos (en las células de las plantas), y en el citoplasma de las procariotes. A Acido: Solamente 2 de los tres grupos ácidos del ácido fosfórico son usados para formar la cadena del ADN. El tercero dá el enlace para la cadena-fosforribo, una propiedad acídica. Bases Nitrogenadas. Leer definiciones.

13 CORTA EFEMERIDES DE LA ESTRUCTURA DEL GEN
En Procariotes: Concepto del Gen: 1857: Carácter hereditario. Recesivo y Dominante. Mendel 1865: Johansen: Gen: DNA 1944: Identificación del Gen con una enzima de la Neurospora crassa: siguiendo las vias metabolicas de la enzima. Codifican para proteínas estructurales. 1953: Watson y Crick: Descubrimiento de la estructura molecular del ADN. 1965: Genes se organizan en cistrones u operones 1966: Holley: ARNt, ARNr, ARNnp, ARNm 1972: Baltimore: Genes ARN (retrovirus) Genes virales Corta efemérides de la estructura del gen. Definición corta de gen. GENES CONTINUOS 1977: Philipp y Richards: Genes discontinuos o interrumpidos (Eucariotes) ¿Qué es un Gen? Es un ácido nucleico (ADN y ARN) que codifica para una proteína (enzima o proteína estructural) o un ARN (ARNt; ARNr, ARNnp, ARNm).

14 ESTRUCTURA DEL GEN PROCARIOTE
3’ 5’ 5’ 3’ Convenciones: UT: Unidad de transcripción SIT: Sitio de iniciación de la transcripción UTR: Región no traducida ( 5´o 3´) CI: Codón de iniciación CT: Codón de terminación STT: Sitio de terminación de TTS: Transcription termina- tion site. UT Región Promotora ( RP ) Región Terminadora ( RT ) Región Codificante ( RC ) Estructura del gen Procariote. Un gen Procariote yace en una Unidad de Transcripción (UT), constituida por tres regiones principales: 1) Una región promotora (Sitio a partir del cual se regula la expresión del gen. 2) Una región codificante que define la naturaleza codificante del gen. 3) Una región de terminación que controla la terminación de la transcripción del gen. 5’ UTR 3’ UTR 3’ 5’ Región no traducida 5’ 3’ +1 CI (ATG) CT STT  TTS SIT

15 ESTRUCTURA DEL PROMOTOR PROCARIOTE
Región O (operadora): Se pega al 7-8 nucleot. Represor (Impide que se abra el ADN, se una la RNA pol y por ende, que se Transcriba el gen) 3’ 5’ +1 SP Control positivo + 1SP: “Punto de arranque” También se llama sitio SIT (Sitio de Inicio de la Transcripción): Sitio en el cual entra el primer nucleotido en el RNAm. Caja Prinow CajaCRP CajaCAT Control negativo Estructura del Promotor Procariote. La Región Promotora es el sitio en el cual se regula la expresión del gen, mediante inducción o represión que se ejerce sobre la región operadora (O) del gen, mediante Control Negativo. El Control Positivo se ejerce sobre la Caja CRS. Se observan tres tipos de cajas: la Caja CRS, la Caja Prinow (-10) y la Caja CATA (-35),y una región operadora, las cuales son reconocidas por la RNA-Polimerasa bacteriana. Región O Se abre el ojal de transcripción para la transcripción del gen. -65 -35 -10 -2 -1 + 1 Proteína Represora del Catabolito Secuencia Represora del Catabolito Caja Prinow: tetranucleótido rico en AT. CRP CRS

16 ESTRUCTURA DEL PROMOTOR PROCARIOTE
Un gen Procariote yace en una región que se llama la UT (Unidad de Transcripción. La que se transcribe) Tiene 2 regiones Región codificante: Donde se codifica el gen Región Promotora: sitio a partir del cual se transcribe y se regula el gen El Sitio SIT +1, el sitio a partir del cual nace el Transcrito primario o ARN. SIT: +1 Sitio de Inicio de la Transcripción. Punto limitante entre la región codificante y la región promotora (Start point = sp)

17 ESTRUCTURA DE LA REGION UTR
+1 CI (AUG) pb 5’ UTR ’UTR “Se transcribe pero no se traduce” CI * * * Espacios conectores 10 pb +1 RBS ARNr + proteína Estructura de la Región UTR (Del inglés Untranslated Region). Región no traducida por los ribosomas, se transcribe pero no se traduce a proteína. La secuencia S/D (Shine/Dalgarne) es rica en polipurinas y su extremo 5’ en forma de ARNm es complementaria al extremo 3’ del ARNr 16S de la subunidad menor del ribosoma. Sitio de Unión al Ribosoma Ribosoma Poly - Purinas A - G S/D RBS: (Del inglés Ribosomal Binding Site) Secuencia Shine/Dalgarne Se une al 3’ARNr 16s (subunidad menor)

18 ESTRUCTURA DEL GEN PROCARIOTE
CI CT “En procariotas es Continua” Cuerpo del Gen 1 2 3 CI CT CI CT CI CT RNAm Estructura de un Policistrón (Operón). Se encuentra en los Procariotes en la región comprendida en entre el codón de iniciación (CI) y el codón de terminación (CT) y bajo el control de una misma región promotora. Esta estructura de la región codificante en tandem es llamada Policistrón u Operón debido a que los genes se transcriben juntos bajo el control de una misma region promotora y sus productos se encuentran relacionados metabolicamente, como por ejemplo, el operón lactosa (Lac). Nótese que entre los genes queda una región intergénica corta. Cada cistrón o gen es traducido en tandem por el mismo tipo de ribosoma, previa liberación del polipéptido anterior. 5’ 3’ Región Intercistrónica larga = diferentes ribosomas Región Intercistrónica corta = el mismo Ribosoma > 1 gen: - Policistrónico - Se vuelven operones E. Coli: tiende a tener 3 genes

19 ESTRUCTURA DE LA REGION TERMINAL
Región Terminal CT STT 5’ 3’ UTR 3’ SDR: Señal de degradación del RNA m = Ribonucleasa o RNasa Se descompone en sus partes Estructura de la región terminal en genes procariotes. Esta se encuentra entre el codón de terminación (CT) y la Señal de terminación de la Transcripción (STT). Estas estructuras son de dos tipos: independientes de ρ o dependientes de rho. Las primeras son terminales intrínsecos que no dependen de la subunidad ρ (una proteína hexamérica) para ser reconocidas por la ARN pol y terminar la transcripción. Por el contrario, las STT- ρ dependientes requieren del factor ρ para que la ARN pol puede reconocerlas las asas ρ dependientes, en el contexto del ARNm, y terminar la transcripción. Factor de terminación de la transcripción: STT:  dependiente AT:  independiente Terminales intrínsecos STT:  independiente GC:  dependiente Figura hexamérica de proteínas

20 ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE: TRES TIPOS DE GENES
Existen 3 clases de genes transcritos por 3 ARN pol diferentes: ARN pol I, II y II Genes ARN pol I: Nucleolo ARNr Clase I ARN pol II Nucleoplasma ARNm ClaseII ARN pol III Nucleoplasma ARNr 5S (excepción)Clase III Estructura del gen eucariote: Tres tipos de genes. A diferencia de los procariotes, en los eucariotes existen tres tipos de ARNpols: ARNpol I, ARNpol II y ARN pol III. Cada una esta especializada en transcribir tres clases de genes diferentes, con algunas excepciones. ARNnp ARNt

21 ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE
UT RP RC RP +1 CI CT IRE ARE 5’ 3’ 5’ UTR 3’ UTR 3’ DFR DCR DCE 5’ UFR UCR UCE SP CI +1 AAUAAA Estructura del gen eucariote – Clase II Una UT clase II que muestra las regiones UTRs 5’ y 3’ principalmente. Posteriormente se verán en detalle las partes de la estructura de este gen. SI + 10 cap Secuencia Líder: Proteínas que atraviesan la membrana y aa hidrofóbico IRE ARE 7 metil guanosina Elemento rico en hierro 50 pb Rico en AU Elemento rico en AU Depende del hierro Para degradadar el RNAm Asa 5’ Secuencia consenso Desestabiliza el poly A

22 ESTRUCTURA DEL PROMOTOR - CLASE II
5’ 3’ 3’ 5’ RP = Región Promotora +1 sp RR = Región Reguladora Caja TATA -65 -35 Hexapleta rica en AT Elementos de respuesta Caja CAAT Caja TATA Caja GC Se regulan lo genes caseros (“House Keeping genes”) Estructura del promotor Clase II. Promotor eucariote prototípico mostrando las cajas TATA, CAAT y elementos de respuestas curso arriba. Otros tipos de promotores son hechos exclusivamente de elementos GC o combinaciones de estos con cajas TATA y CAAT. Existen: - Elementos de respuesta a estrógenos, corticoides, glucocorticoide - Dependientes del tejido Se pegan factores inducibles a esta región promotora o fuera de ella. Puede haber otras cajas dependiendo del tipo de gen y también los genes especializados como los morfogenes o como los genes homeóticos (desarrollo) o de diferenciación

23 ESTRUCTURA DE LA REGION CODIFICANTE
CLASE II Exón 1 Exón 2 Intrón 3’BA’ 5’BD’ BD: brazo dador BA: brazo aceptor Empalmar Exones AG GT GU AG GU AG GU AG SR: Sitio de ramificación (Branch site) Regla GU - AG: Secuencia Consenso: al inicio y al fin del intron Estructura de la región codificante Clase II. Los genes interrumpidos son genes constituidos por una serie alterna de exones e intrones. En eucariotes existen genes con un intron o hasta con más de 100 intrones. En promedio un gen interrumpido humano tiene de 5 a 7 intrones. Los intrones son generalmente más grandes (500pb de longitud) que los exones ( pb). El límite exón-intrón esta dado por la presencia de bases consenso GU----…----AG localizadas en los extremos 5’ y 3’ respectivamente de los intrones. Los exones son los que llevan la información codificante para proteína y los intrones no. Una vez es transcrita la región codificante a ARNhn, los intrones son removidos por el “esplaiceosoma” (una serie de ribonucleoproteínas U, RNP-Us: U1, U2, U4, U5 y U6) y los exones empalmados y transportados en forma de ARNm al citoplasma SITIO DE RAMIFICACION T A C T A A C Se localiza a 2/3 longitud del intron X: 5 intrones (mamíferos) Siempre presente BS: - Consenso - Rica en pirimidinas (T y C) X: 2 intrones (Otros organismos)

24 AMPLIFICADORES Y SILENCIADORES (ENHANCERS – SILENCERS)
RP SP +1 Amplificador * Amplificador Silenciador Amplificadores y silenciadores. Son secuencias consenso que intensifican o decrecen la tasa de transcripción de los genes. Estos se localizan generalmente miles de pares de bases curso arriba de un promotor o curso abajo del mismo. En ocasiones pueden estar localizados dentro de un intrón. Regulación temporal y tejido especifica en los Genes Clase I y Clase II Silencian a los enhancers o amplificadores de expresión Ejemplo: *: Hígado : Glucogenasa Amplificador: Secuencia consenso - Región amplificadora del gen - Ubicua: Puede estar hasta dentro de los intrones excepto en los exones

25 ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE - CLASE I
Core del promotor -110 -40 -10 SP 28 S 5.8 S 18 S -170 GC +1 Se transcriben en tandem -70 pb Región espaciadora entre core promotor y la región UCE (elementos de codificación no traducidos) Ribonucleasas Estructura del gen eucariote Clase I. Los genes clase I generalmente se encuentran en tandem de 1000 a 3000 copias, debido a la necesidad activa de reciclar los ribosomas de la célula eucariota. En procariotas están organizados los genes para ribosomas de igual manera que los eucariotas con la excepción de que hay 1000 y 2000 copias en tandem del mismo gen

26 ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE - CLASE III
SP +1 5’ 3’ 3’ 5’ Octámero ARNtala ARNtmet PSE TATA RP RC UT Estructura del gen eucariote Clase III. Estos genes también se encuentran en tandem en un gran número de copias. La característica más conspícua que los diferencia de los genes clase I y II es que los genes clase III llevan promotores internos dentro de la región codificante (cajas B y C) que da origen al ARNt y cuya función es atraer la ARN pol III, la cual una vez unida a estos, se desplaza hacia la caja TATA, esta sí curso arriba de la región codificante, para iniciar la transcripción. Box A Box C Se pega la RNA pol III 90 pb 

27 PROCESAMIENTO DEL GEN EUCARIOTE - CLASE III
ARNt ala ARNr 5S ARNt met Procesamiento del gen Clase III. Una vez transcrito el ARNhn clase I es procesado por ribonucleasas para liberar los ARNt y el ARNr 5S. Ribonucleasa

28 BIBLIOGRAFIA Lodish, H; Baltimore, D; Zipursky, L.; Matsudara, P.; Darrell, J. Molecular Cell Biology. Third Edition. Scientific American Books New York, 1997. Lewin, Benjamin. Genes VII. International Student Edition. Oxford University. Press, Inc. Nex York, 1999