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Tema 12. GENÉTICA MOLECULAR. REPLICACIÓN , TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN
 

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    Tema 12. GENÉTICA MOLECULAR. REPLICACIÓN , TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Tema 12. GENÉTICA MOLECULAR. REPLICACIÓN , TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Presentation Transcript

    • GENÉTICA MOLECULAR. REPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN
    • El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
      • Se observó que el ADN solía aparecer casi exclusivamente en el núcleo y en pequeñas cantidades en las mitocondrias y los cloroplastos, mientras que el ARN aparecía repartido por el citoplasma, sobre todo en los ribosomas, y en ciertas cantidades también en el núcleo.
      • Se comprobó también que existía ADN en los cromosomas, lo que llevó a sospechar que tal vez existía relación entre el ADN de los cromosomas y los genes o factores hereditarios de los que hablaba Mendel.
      • Una primera pista la obtuvo en 1928 GRIFFITH, trabajando con dos cepas de neumococos, una de envoltura lisa y otra de envoltura rugosa.
      El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
      • En 1944 AVERY, M C LEOD y M C CART H Y, explicaron de forma clara las experiencias de Griffith y demuestran que la molécula responsable de la transformación (principio transformante) era el ADN, pues sólo enzimas destructoras del ADN eliminaban la capacidad transformante del ADN.
      Fotografía de Oswald Avery trbajando en su laboratorio El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
      • Más tarde, HERSHEY Y CHASE hicieron un memorable experimento con virus bacteriófagos y la bacteria Escherichia coli . Marcaron con isótopos radiactivos los componentes del virus, las proteínas con 35S y el ADN con 32P. Después de la infección observaron que en el interior de la bacteria sólo aparecía fósforo marcado, pero no azufre, lo que demostraba que el material genético del virus era el ADN, mientras que las proteínas de la cápsida carecían de información genética y ni siquiera penetraban en la bacteria.
      • La proteína es sólo un "envase" para el DNA del bacteriófago. Es el DNA del bacteriófago el que penetra en la célula y lleva el mensaje hereditario completo de la partícula viral, dirigiendo la formación de nuevo DNA viral y de las nuevas proteínas virales.
      El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
    •  
      • En el momento en que se identificó el material genético, era preciso definir las "unidades hereditarias" de las que habló Mendel desconociendo su naturaleza. Actualmente se denominan genes y se pueden definir como segmentos de ADN que contienen la información necesaria para, mediante transcripción y traducción, sintetizar una proteína.
      • Los genes son las unidades estructurales y funcionales de la herencia, transmitidas de padres a hijos a través de los gametos y regulan la manifestación de los caracteres heredables.
      • Los genes de los procariotas son unidades continuas, o sea, que un segmento de ADN contiene toda la información necesaria para la síntesis de una proteína; sin embargo, los genes de los organismos eucariotas se encuentran fragmentados.
      El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
      • En la década de 1940 BEADLE y TATUM fueron los primeros en establecer la existencia de una relación directa entre la molécula de ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima, y propusieron la hipótesis de “un gen, una enzima” . Según esta hipótesis, un gen contiene la información para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima.
      • Hoy sabemos que el ADN se encuentra en el núcleo y la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas (situados en el citoplasma). Para llevar la información desde el núcleo a los ribosomas tenemos un intermediario, que es el ARN mensajero).
      • Según el “dogma de la biología” el ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular mediante un proceso de replicación además, transmite su información a una molécula de ARNm por el proceso de transcripción y el ARNm lo transmite a una secuencia de aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción en este proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico componente fundamental de los ribosomas y el ARN transferente, que transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.
      El ADN DEPOSITARIO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
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    • REPLICACIÓN DEL ADN
      • La replicación es el proceso por el cual una molécula de ADN de doble hélice da lugar a otras dos moléculas de ADN con la misma secuencia de bases.
      • Permite a las células hijas contener la misma información genética que la célula madre de la que proceden.
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      • El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas.
      • Pero ¿cómo es posible que una doble hélice se copie a sí misma?
      • Watson y Crick ya indicaron:
      • «No se nos ha escapado observar que el apareamiento específico de bases que hemos postulado sugiere de inmediato un posible mecanismo de copiado para el material genético» .
      • La complementariedad entre las bases (G - C y A - T), constituye la esencia de la replicación del ADN.
      REPLICACIÓN DEL ADN
      • La replicación del ADN se lleva a cabo en tres etapas:
            • 1. Apertura y desenrollamiento de la doble hélice.
            • 2. Síntesis de las dos nuevas cadenas de ADN.
            • 3. Corrección de errores.
      REPLICACIÓN DEL ADN EN PROCARIOTAS
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    • APERTURA Y DESENROLLAMIENTO DE LA DOBLE HELICE
      • Enzimas como las girasas y las topoisomerasas eliminar tensión derivada de la torsión de la molécula desenrollándola. Después la doble hélice se abre como una cremallera por acción de la enzima helicasa para que pueda actuar la ADN pol III .
      • La separación comienza en puntos llamados orígenes de replicación formando lo que se llama burbujas de replicación que dan lugar a las horquillas de replicación (por su forma de Y).
    • SINTESIS DE DOS NUEVAS CADENAS DE ADN
      • La enzima ADN pol III recorre la hebra molde y selecciona el desoxirribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria a la de la molécula molde, si sirve, se desprenden dos PP (resto pirofosfato) y el nucleótido monofosfato se incorpora a la cadena de ADN nueva formándose un enlace fosfodiester con energía aportada al hidrolizarse el trifosfato.
    • SINTESIS DE DOS NUEVAS CADENAS DE ADN
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    • REPLICACIÓN
      • http :// www.youtube.com / watch?v = hfZ8o9D1tus &NR=1
      • http :// www.youtube.com / watch?v = teV62zrm2P0 & eurl = http :// www.freesciencelectures.com /video/ dna - replication - process /
    • CORRECCIÓN DE ERRORES
      • La ADN pol autocorrige su actividad pero comete un error de apareamiento por cada 10 millones de pares de bases. Esta precisión es suficiente para una bacteria, pero no para especies más evolucionadas como el hombre.
      • Para precisar más hay una maquinaria enzimática que corrige la acción de la ADN pol después de la replicación. Son un conjunto de enzimas que detectan el mal emparejamiento, lo eliminan y regeneran la secuencia correcta.
      • Debe reconocer primero cual de las dos hebras del ADN es la nueva, se distingue porque en las secuencias GATC, la A esta metilada en las cadenas molde, y permanece un tiempo sin metilar en la cadena nueva. En ese tiempo la cadena nueva es recorrida por el complejo que elimina el nucleótido y con la ADN pol rellena el hueco poniendo uno nuevo. De esta forma se comete un error por cada 10.000.000.000 de pares de bases.
      • La replicación del genoma eucariota transcurre en la fase S del ciclo celular de modo similar al descrito para los procariotas: es semiconservativa y bidireccional; la hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada de forma discontinua, en forma de fragmentos de Okazaki que luego se unen; y también se requiere un ARN cebador para que los ADN polimerasas inicien la replicación.
      REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
      • Aunque es muy similar a la de procariotas presenta estas diferencias:
        • Intervienen, al menos, cinco tipos diferentes de ADN polimerasas
        • El genoma eucariota consta de varios cromosomas lineales con un total de unos 3 x 109 pares de bases. Si se replicase al ritmo que en E. coli (30 minutos), tardaría 30.000 minutos, es decir, unas 3 semanas. Para que el proceso solo tarde unas pocas horas, existen numerosas burbujas de replicación y no sólo una a lo largo de cada cromosoma. En el genoma humano, por ejemplo, pueden existir unos 30.000 puntos de replicación, lo que acelera en gran medida el proceso de replicación.
        • Otra característica peculiar del cromosoma eucariota es que el ADN se encuentra asociado con los octámeros de histonas , en forma de nucleosomas , por lo que, además de replicarse el ADN, deben duplicarse también las histonas. Al parecer, tanto los nuevos nucleosomas como los antiguos se reparten de manera
      REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
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      • Telómeros: envejecimiento y muerte celular
      • Los cromosomas eucariotas son lineales y presentan en sus extremos unas regiones, denominadas telómeros constituidas por secuencias repetitivas, del tipo TTAGGGTTAGGG... Cuando se replica el ADN lineal, los extremos 5' de los telómeros , no pueden ser replicados.
      • Cuando se elimina el ARN cebador del extremo 5' de cada una de las hebras recién sintetizadas, el hueco que queda no lo pueden rellenar los enzimas ADN polimerasas, porque no encuentran extremos hídroxilos 3' libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos. La imposibilidad de replicar los extremos de cada cromosoma da lugar a que el telómero se vaya acortando en cada ciclo de replicación que ocurre durante la fase S de la división celular. Este acortamiento de los telómeros con la edad está relacionado con el envejecimiento y la muerte programada de las células.
      REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
    • REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
      • El acortamiento de los telómeros y la apoptosis
      • Al cabo de un número determinado de divisiones llega un momento en que se produce la pérdida de una cantidad importante de material génico de los telómeros , lo que deja al descubierto los extremos «pegajosos» de los comosomas; estos se unen unos con otros y se altera gravemente la repartición equitativa de los cromosomas durante la mitosis. En esta situación, la célula activa el mecanismo de apoptosis que provoca la muerte celular.
      • Los telómeros son como un implacable «reloj molecular», que con sus sucesivos acortamientos indican a una célula cuántas divisiones celulares son aún posibles hasta que llegue el momento en que debe cesar toda actividad.
      REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
      • La telomerasa: clave de la inmortalidad
      • El acortamiento de los telómeros, puede ser neutralizado en algunas células, como las células madres y las células cancerosas, gracias a la acción de una enzima, llamado telomerasa , que las convierte en celulas inmortales.
      • La telomerasa es una ribonucleoproteína que actúa como transcriptasa inversa, ya que contiene una hebra de ARN con la secuencia apropiada para actuar como molde para la síntesis de la secuencia telomérica de ADN que se le añade a los extremos cromosoma para evitar su acortamiento en cada proceso de replicación.
      REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
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    • SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
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    • TRANSCRIPCIÓN
      • La TRANSCRIPCIÓN consiste en la copia de la información del ADN en el lenguaje del ARN a partir de precursores que son ribonucleóticos trifosfato.
      • La TRANSCRIPCIÓN consiste en la copia de la información del ADN en el lenguaje del ARN a partir de precursores que son ribonucleóticos trifosfato.
      • Iniciación . En todos los genes hay una secuencia denominada promotor (TTGA, TATA, TTCA) que indica donde empieza la síntesis y que hebra se transcribe de las dos. Estas a 10 bases (30 en eucariotas) antes del gen. La ARN pol se une al promotor.
      • Elongación ; La ARN pol desenrrolla una vuelta de hélice y queda al descubierto la hebra que servirá de patrón. El enzima se desplaza por la hebra en 3'— 5' y la cadena de ARNm se forma en 5'— 3'. El ADN se va enrollando después del paso de la enzima.
      • Terminación . La ARN pol se encuentra con la señal de terminación que parece ser TTTT o en procariotas TTATTT . Se desprende y se libera el ARN.
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      • Maduración . Es exclusivo de eucariotas. Como en procariotas los genes son continuos, no necesitan este proceso antes de ser leídos.
      • La mayor parte de los genes eucariotas que codifican para proteínas se encuentran fragmentados por los que se transcriben secuencias sin información (intrones) y secuencias que sí tienen información genética (exones). La maduración del pre-ARNm consiste en un conjunto de modificaciones que lleva a la eliminación de los intrones y el pegado de los exones.
      • Al ARNm se le añade una cola de 200 nucleótidos de A en el extremo 3' y un nucleótido especial, la 7-metil guanosina trifosfato en el 5’. Este ARNm preparado sale al citoplasma.
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      • http :// www.youtube.com / watch?v = yZ_IPafioSU&feature = related
    • TRADUCCIÓN
      • La TRADUCCIÓN genética es un proceso mediante el cual los aminoácidos de una proteina se van uniendo según un orden dictado por la secuencia de los nucleótidos del ADN.
      • Para realizar esto, una molécula de ARNm se ha copiado en el proceso de transcripción y ha salido del núcleo al citoplasma.
      TRADUCCIÓN GENÉTICA
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      • La síntesis de proteínas se realiza dentro de la estructura de los ribosomas (formados por ARNr y proteínas) y la energía necesaria para este proceso proviene del ATP y del GTP. Los aminoácidos son transportados al lugar de síntesis por moléculas de ARNt según el orden que marca el ARNm. Para cada aminoácido existe al menos un ARNt específico y la unión entre los dos se realiza gracias a un grupo enzimático que forma el complejo aminoacil-ARNt-sintetasa. En las moléculas del ARNt tres de sus bases forman un anticodón complementario del codón del ARNm.
      TRADUCCIÓN GENÉTICA
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      • A continuación estudiaremos el proceso en los organismos eucariontes. Consta de 3 etapas:
            • Iniciación
            • Elongación peptídica
            • Terminación.
      TRADUCCIÓN GENÉTICA
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    • SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
    • Guión de la animación anterior
      • Translation -- Movie Narrative (Advanced Look)
      • Translation is the synthesis of a protein from an mRNA template. This process involves several key moelcules including mRNA, the small and large subunits of the ribsome, tRNA, and finally, the release factor. The process is broken into three stages: initiation, elongation, and termination. Let's see the process in action...
      • Eukaryotic mRNA, the substrate for translation, has a unique 3'-end called the poly-A tail. mRNA also contains codons that will encode for specific amino acids.
      • A methylated cap is found at the 5'-end. Translation initiation begins when the small subunit of the ribosome attaches to the cap and moves to the translation initiation site.
      • tRNA is another key molecule. It contains an anticodon that is complementary to the mRNA codon to which it binds. The first codon is typically AUG. Attached to the end of tRNA is the corresponding amino acid. Methionine corresponds to the AUG codon.
      • The large subunit now binds to create the peptidyl (or P) site and teh aminoacyl (or A) site. The first tRNA occupies the Psite. The second tRNA enters the A-site and is complementary to the second codon.
      • The methionine is transferred to the A-site amino acid, the first tRNA exits, the ribosome moves along the mRNA, and the next tRNA enters. These are the basic steps of elongation.
      • As elongation continues, the growing peptide is continually transferred to the A-site tRNA, the ribosome moves along the mRNA, and new tRNAs enter.
      • Whena stop codon is encountered in the A-site, a release factor enters the A-site and translation is terminated. When termination is reached, the ribosome dissociates, and the newly formed protein is released.
    • EL CÓDIGO GENÉTICO
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    • Regulador Operón LAC Operador Gen x Gen a Gen y ARNm Represor activo Si no hay lactosa los Genes no se transcriben Regulación del operón LAC en E. coli . Si no hay lactosa el represor está en su forma activa, y los genes estructurales no se transcribe, con lo que la célula no tendrá los enzimas para metabolizarla .
    • Regulador Operón reprimible Operador Gen a Gen c Gen b ARNm Represor inactivo triptófano Vía metabólica del triptófano enzimas Regulación del operón de la vía del triptófano E. coli. Si no hay triptófano el represor está en su forma inactiva. Los genes estructurales de la vía del triptófano se transcribe y se traducen, con lo que se sintetiza el triptófano necesario para la célula.
    • OPERÓN LAC
    • Guión de la animación anterior
      • The Lac Operon -- Movie Narrative (Advanced Look)
      • The E. coli lac operon is an example of an inducible set of genes. These genes are responsible for the breakdown of lactose into sugars used for cellular metabolism.
      • This inducible system also includes bacterial DNA, a repressor, mRNA, and the sugar molecule lactose. This animation will only focus on two of the three proteins encoded by the lac operon, ß-galactosidase and permease.
      • Gene expression can be induced (or turned on) when a specific inducer molecule appears in a cell.
      • For inducible systems, a repressor molecule prevents gene expression by binding to the upstream controlling region.
      • Lactose is the lac operon inducer molecule. After first appearing in the cellular enviroment, lactose passively enters the E. coli cell and binds to the repressor molecule. This binding releases the repressor from the controlling region.
      • At this point, RNA polymerase can begin transcription of the operon. Here we show two of the three lac operon genes being transcribed into mRNA.
      • Ribosomes then bind to the mRNA, and the two proteins are translated.
      • The first protein is ß-galactosidase which breaks down lactose into two simple sugars.
      • The second protein is permease, a membrane bound protein.
      • When embedded in the cell membrane, permease functions to provide a direct route for the lactose outside the cell to be imported into the cell. This import occurs at a much greater rate than the passive transfer we first observed. Because translation continues inside the cell, other permease proteins become embedded in the membrane. This further increases the rate at which lactose enters the cell.
      • ß-galactosidase breaks the cellular lactose into the simple sugars glucose and galactose. Once its concentration is greatly reduced, the lactose bound to the repressor are released.
      • At this point, the repressor again binds to the controlling region and gene expression is halted.
      • For all inducible systems, like the lac operon, it is the interaction of the repressor and inducer molecules that mediate gene expression.
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    • Met 1er aminoácido ARNt Anticodón Codón ARNm Subunidad menor del ribosoma AAAAAAAAAAA P A A U G C A A U A C Iniciación : La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína. Se les une entonces el complejo formado por el ARNt-metionina (Met). La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta la metionina (Met). 5’ 3’ U G C U U A C G A U A G (i)