Tema 11 expresión de la información genética

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Tema 11 expresión de la información genética

  1. 1. EXPRESIÓN DE LAINFORMACIÓN GENÉTICA: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN. Tema 11
  2. 2. Temario selectividad Tema 11.- Expresión de la información genética: Transcripción y Traducción. 6.- Descripción del mecanismo de la transcripción (iniciación, elongación, terminación, y maduración). Diferencias entre procariotas y eucariotas. 7.- El código genético y la traducción. Código genético: fundamento y características (específico, degenerado, sin solapamientos ni discontinuidades y universal). Traducción: descripción de las etapas del proceso (iniciación, elongación y terminación). Papel del ARNm, ARNt y ribosomas. Diferencias entre procariotas y eucariotas.
  3. 3. TRANSCRIPCION 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.
  4. 4. 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.
  5. 5. TRANSCRIPCION La cadena de ARN se sintetiza en sentido 5→ 3 y la secuencia de este ARN transcrito será complementaria a una de las cadenas del gen, a la que se tomo como molde, e idéntica a la otra que no se transcribió.
  6. 6. TRANSCRIPCION PROCARIOTAS Promotor ARN-polimerasa5’ 3’3’ 5’ Iniciación5’ 3’3’ 5’ ARN Elongación5’ 3’3’ 5’ Finalización5’ 3’3’ 5’ ARN transcrito completo
  7. 7. TRANSCRIPCION PROCARIOTAS Promotor ARN-polimerasa5’ 3’3’ 5’ Iniciación5’ 3’3’ 5’ ARN Elongación5’ 3’3’ 5’ Finalización5’ 3’3’ 5’ ARN transcrito completo
  8. 8. TRANSCRIPCION En los procariotas sólo existe un tipo de ARN-polimerasa que sintetiza los tres tipos de ARN. En los eucariotas existen 3 tipos de ARN- polimerasa: ARN-pol I, sintetiza los ARNr; ARN-pol II, sintetiza los ARNm y ARN-pol III, sintetiza los ARNt. En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados, los ARN transcritos tienen que pasar por un proceso de maduración para convertirse en ARN funcionales. La transcripción en los eucariotas ocurre en el núcleo y es similar a la de los seres procariotas, en ella se diferencian cuatro etapas: iniciación, elongación, terminación y maduración.
  9. 9. TRANSCRIPCION: Iniciación El proceso comienza cuando la ARN-pol reconoce en el ADN que se va a transcribir una región que indica el inicio del proceso. Esta región se denomina región promotora, esta formada por una determinada secuencia de nucleótidos, en la que abundan la A y la T En la síntesis del ARNm y en eucariotas se han identificado dos regiones promotoras (TATA y CAAT). A esta región se une la ARN-pol. y desenrolla una vuelta de hélice al ADN con lo que la hebra del ADN que actuará como molde queda al descubierto y podrá ser leida por el enzima.
  10. 10. TRANSCRIPCION: Elongación En esta etapa se van añadiendo los ribonucleótidos y la cadena de ARN se va formando. El proceso ocurre de la siguiente manera: la ARN-pol, se desplaza por la hebra molde y va leyendo la secuencia de nucleótidos en sentido 3→5 y va añadiendo ribonucleótidos complementarios con ellos a la cadena de ARN que se esta formando, los cuales se unirán en sentido 5→3 mediante enlaces éster. A medida que la enzima se desplaza, el ADN recupera su forma inicial de doble hélice. En los eucariotas en la formación del ARNm cuando se han transcrito los 30 primeros nucleótidos del gen, al ARNm en formación se le añade en el extremo 5 un nucleótido especial metil-guanosina-trifosfato que forma una especie de caperuza que servirá para que sea reconocido por los ribosomas como el extremo por donde se debe iniciar la traducción.
  11. 11. TRANSCRIPCION: Elongación
  12. 12. TRANSCRIPCION EUCARIOTAS Promotor Unidad de transcripciónIniciación 5’ 3’ 3’ 5’ ARN-polimerasa 5’ 3’ 3’ 5’Elongación m7-Gppp Capucha 5 5’ 3’ 3’ 5’ m7-Gppp
  13. 13. TRANSCRIPCION: Terminación La ARN-pol continúa añadiendo ribonucleótidos a la cadena de ARN en formación hasta que reconoce en la cadena de ADN una señal de terminación que indica el final de la transcripción. En procariotas esta señal es una secuencia palindrómica (tiene la misma lectura de izquierda a derecha que al revés, y es rica en G y C) En eucariotas la secuencia terminadora es TTATTT. A continuación en la formación del ARNm actúa otra enzima llamada poli-A polimerasa que añade al extremo 3 del ARNm recién formado una cola poli-A, formada por fragmento de unos 200 nucleótidos de adenina que colaboran en su transporte a través de la membrana nuclear.
  14. 14. TRANSCRIPCION: Terminación
  15. 15. TRANSCRIPCION: Terminación 5’ 3’Finalización 3’ 5’ PoliA-polimerasa m7-Gppp Capucha 5 OH ARN heterogéneo nuclear Cola de poli-A m -Gppp 7 OH Capucha 5
  16. 16. TRANSCRIPCION: Maduración Son las transformaciones que sufren los ARN transcritos para hacerse funcionales. En los procariotas, las moléculas de ARNm transcritas no necesitan ninguna transformación previa a la traducción. Sin embargo los ARNr y los ARNt precisan de un proceso de maduración para convertirse en ARNr y en ARNt funcionales, en este proceso se cortan en fragmentos más pequeños.
  17. 17. TRANSCRIPCION: Maduración Son las transformaciones que sufren los ARN transcritos para hacerse funcionales. En los eucariotas debido a que los genes están fragmentados (contienen exones e intrones), los ARNm transcritos tienen intercalados intrones (fragmentos sin información) y exones (fragmentos con información), por ello necesitan pasar por un proceso de maduración en el cual se eliminan los intrones y los exones se unen entre sí formándose ARNm funcional, a este proceso se le denomina de corte y empalme y en él intervienen unas enzimas llamadas ribonucleoproteinas pequeñas nucleolares o espliceosomas. Los ARNr y los ARNt también sufren un proceso de maduración. En él los ARNt se modifican algunas de sus bases introduciendo diversos radicales y se añade el triplete CCA al extremo 3’.
  18. 18. TRANSCRIPCION: Maduración
  19. 19. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS
  20. 20. Diferencias transcripción pro y eucariotas En los procariotas el ARNm no tiene ni caperuza ni cola. Tampoco tiene intrones y por lo tanto no requiere de un mecanismo de maduración. Al mismo tiempo que el ARNm se transcribe se está ya traduciendo. Los genes son policistrónicos, esto es, un ARNm contienen información para varias proteínas.
  21. 21. CODIGO GENETICO La información que lleva el ADN esta determinada por la secuencia de nucleótidos. Watson y Crick señalaron que esta secuencia de nucleótidos debía determinar la secuencia de aminoácidos de la proteína. La información del ADN se transcribe (copia) al ARNm y este es el que determina la secuencia de aminoácidos de la proteína. Por lo tanto debe de existir una relación entre los nucleótidos (bases) del ARNm y los aminoácidos de la proteína, esa relación constituye el código genético. El código genético es por tanto la clave que permite transformar la información genética que está codificada en un lenguaje de 4 letras (A,G,C,U) a un lenguaje de 20 letras distintas los aminoácidos.
  22. 22. CODIGO GENETICO
  23. 23. CODIGO GENETICO
  24. 24. CODIGO GENETICO El físico Gamow formulo la hipótesis de que el código genético esta formado por tripletes de nucleótidos a los que se denomino codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido. El razonamiento que realizo fue el siguiente:  Si los codones estuviesen formados por una sola base, solo habría 4 codones distintos, como hay 20 aminoácidos distintos, un mismo codón tendría que determinar varios aminoácidos, lo cual haría que una misma información se tradujese de forma diferente.  Si los codones estuviesen formados por dos bases, el nº de codones diferentes serian VR24 = 42 = 16 con lo cual pasaría lo mismo.  Si los codones están formados por 3 bases el nº de ellos seria 43 = 64 suficientes para que haya codones diferentes para codificar todos los aminoácidos.
  25. 25. CODIGO GENETICO Posteriormente se descifro el código, es decir se descubrió que aminoácido codifica cada codón del ARNm, en ello desempeñaron un papel importante Severo Ochoa y Nieremberg y otros. El código genético podemos definirlo como el conjunto de tripletes de nucleótidos del ARNm, denominados codones que codifican todos los aminoácidos.
  26. 26. CODIGO GENETICO: Características El código es universal, es decir es igual en todos los seres vivos. Por lo tanto un determinado codón codifica el mismo aminoácido en todos los organismos. Esto es una prueba del origen común de todos los seres vivos. Hoy día se han detectado algunas excepciones en protozoos. El código esta degenerado, es decir hay más codones que aminoácidos lo que significa que un mismo aminoácido esta determinado por más de un codón. Los codones distintos que codifican un mismo aminoácido se llaman sinónimos, solo suelen variar en el último nucleótido. Además hay 3 codones que no codifican aminoácidos y se llaman codones sin sentido o mudos determinan el final de la síntesis y hay un codon (AUG) que codifica la metionina y determinan el inicio.
  27. 27. CODIGO GENETICO: Características El que haya codones sinónimos puede resultar ventajoso ya que si se produce algún cambio en algún nucleótido (mutación) puede no tener consecuencias No presenta solapamiento. Los codones se disponen linealmente unos a continuación de otros sin que entre ellos haya espacios ni se solapen, es decir compartan ningún nucleótido. Se leen en un único sentido 5’→3’.
  28. 28. TRADUCCION Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm, es decir la secuencia de codones del ARNm se traduce en una determinada secuencia de aminoácidos, es decir en una determinada proteína. En este proceso interviene el ARNt que se encarga de transportar los aminoácidos, que están libres en el citoplasma, hasta los ribosomas y allí son dispuestos en el orden que determina los codones del ARNm.
  29. 29. TRADUCCION Los ARNt en el brazo del anticodón tienen un triplete de bases denominadas anticodón que es complementario con algún codón del ARNm, este triplete anticodón es el que va a determinar que aminoácido se une a cada ARNt. Estos aminoácidos se unen al ARNt por el extremo 3 que se localiza en el brazo aceptor. La traducción ocurre en los ribosomas y es similar en los procariotas y en los eucariotas, en el se diferencian varias etapas: Activación de los aminoácidos, iniciación de la síntesis, elongación de la cadena y terminación de la síntesis.
  30. 30. TRADUCCION: Activación de los aminoácidos Esta es una etapa previa a la traducción que ocurre en el citoplasma. En este proceso los aminoácidos que van a formar las proteínas se unen con los correspondientes ARNt por su brazo aceptor, formándose los complejos aminoacil-ARNt. Esta etapa requiere energía que se obtienen de la hidrólisis del ATP y esta catalizada por una enzima específico para cada aminoácido llamada aminoacil-ARNt-sintetasa
  31. 31. TRADUCCION: Inicio de la síntesis. Para que comience la síntesis de proteínas hacen falta dos señales de iniciación: la caperuza de metil guanosina del ARNm que indica al ribosoma porque extremo se empieza a leer el ARNm y el triplete iniciador AUG, que codifica el primer aminoácido. Por lo tanto la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. -En primer lugar el ARNm por el extremo 5’ se une a la subunidad menor del ribosoma, la síntesis se inicia cuando aparece el codón iniciador (AUG), ya que entonces el primer aminoacil-ARNt cuyo anticodón sea complementario con este codón iniciador se unirá a él por puentes de hidrógeno, formándose el complejo de iniciación. Siempre el primer aminoacil-ARNt es el que lleva el aminoácido metionina, por ello todas las proteínas comienzan por este aminoácido, aunque en muchos casos este aminoácido posteriormente se elimina.
  32. 32. TRADUCCION: Inicio de la síntesis.
  33. 33. TRADUCCION: Inicio de la síntesis. -Este proceso esta catalizado por acción de unos factores proteicos llamados factores de iniciación (FI), en el se consume energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP. Al final de esta etapa al complejo de iniciación se le une la subunidad mayor del ribosoma formándose el ribosoma completo y funcional. En el ribosoma existen dos sitios de fijación en los que se unen los aminoacil-ARNt:  El sitio P o peptidil es lugar de unión del primer aminoacil-ARNt (ARNt-metionina). En este lugar es donde se localiza el ARNt que lleva unida la cadena peptídica en formación  El sitio A o aminoacil que es donde se unirán los nuevos aminoacil-ARNt.
  34. 34. TRADUCCION: Elongación de la cadena peptídica Esta fase consiste en el alargamiento de la cadena peptídica por la unión de sucesivos aminoácidos. Se puede considerar como un proceso cíclico que se repite hasta que termina la traducción. En cada uno de estos ciclos de elongación se diferencian tres fases sucesivas: -Primera fase: El sitio P esta ocupado inicialmente por el ARNtMet, y al sitio A, que esta vació llega el siguiente aminoacil-ARNt cuyo anticodón es complementario al siguiente codón del ARNm, este traerá su correspondiente aminoácido. En esta etapa se necesita energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP e interviene un factor de elongación (FE-1).
  35. 35. TRADUCCION: Elongación de la cadena peptídica En cada uno de estos ciclos de elongación se diferencian tres fases sucesivas: -Segunda fase: Ahora se rompe el enlace entre el aminoácido y el ARNt que esta situado en el sitio P, y entre este aminoácido y el aminoácido que esta unido al ARNt que se encuentra en el sitio A se forma un enlace peptídico. Esta reacción es catalizada por la enzima peptidil transferasa. El resultado es la formación de un dipéptido unido a un ARNt que se aloja en el sitio A, mientras que en el sitio P queda un ARNt sin aminoácido. -Tercera fase: Gracias a la intervención de un segundo factor de elongación (FE-2) y a la energía del GTP, el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos a lo largo del ARNm en sentido 5-3. Este desplazamiento provoca la salida del ARNt libre situado en el sitio P y la translocación del complejo peptidil-ARNt-ARNm del sitio A al sitio P, con lo cual el sitio A queda vació y dispuesto a recibir a otro amioacil-ARNt cuyo anticodón sea complementario del siguiente codón. El proceso se vuelve a repetir.
  36. 36. TRADUCCION: Elongación de la cadena peptídica
  37. 37. TRADUCCION: Terminación: La síntesis termina cuando después de la última traslocación aparece en el sitio A uno de los codones de terminación (UAA, UAG o UGA) ya que no hay ningún ARNt cuyo anticodón sea complementario con estos codones. Al codón de terminación se le une un factor de terminación (RF) que hace que la peptidil transferasa por hidrólisis separe la cadena peptídica recién formada del ARNt, provoca la salida del ARNt libre, del ARNm y la separación de las dos subunidades del ribosoma. En esta etapa se gasta energía que procede del GTP.
  38. 38. TRADUCCION: Terminación:
  39. 39. TRADUCCION: Terminación: Tanto en eucariotas como en procariotas el ARNm puede ser leído por varios ribosomas a la vez formándose un polisoma, como consecuencia se sintetizan varias moléculas de la misma proteína. La proteína a medida que van saliendo del ribosoma va adquiriendo su estructura secundaria y terciaria. El ARNm una vez leído por los ribosomas se destruye por lo que dura muy poco tiempo.
  40. 40. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA La síntesis proteica no tiene lugar de forma continua, sino que las células solo sintetizan las proteínas que necesitan en cada momento, por ello debe de existir un control en la expresión génica. La regulación de la expresión génica se realiza principalmente en el proceso de transcripción.
  41. 41. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Regulación en procariotas. La regulación de la expresión génica en los procariotas sigue el modelo del operón, que fue descrito por Jacob y Monod a principios de los 60.
  42. 42. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Un operón consta de los siguientes elementos: Un operón consta de los siguientes elementos:  Promotor. Secuencia de nucleótidos del ADN a la que se une la ARN-polimerasa para iniciar la transcripción del gen o de los genes.  Genes estructurales. Codifican la síntesis de las proteínas (enzimas) que intervienen en un mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción, de manera que el ARNm resultante lleva información para varias proteínas y se denomina ARNmpolicistrónico.  Gen operador. Es la secuencia de nucleótidos del ADN a la que se puede unir una proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales. Se sitúa entre el promotor y los genes estructurales.
  43. 43. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Un operón consta de los siguientes elementos: Un operón consta de los siguientes elementos:  Gen regulador. Se puede localizar en cualquier lugar del cromosoma. Codifica la proteína reguladora que actúa de represor, cuando esta se une al operador impide que la ARN-polimerasa se pueda unir al ADN y con ello imposibilita la transcripción, cuando se separa la transcripción es posible.
  44. 44. REGULACIÓN DE LAEXPRESIÓN GÉNICA Regulación del operón LAC en E. coli. Si no hay lactosa el represor está activo, se une al operador, y los genes estructurales no se transcriben.
  45. 45. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICARegulación del operón LAC en E. coli. Si hay lactosa, ésta se une alrepresor, lo inactiva, y los genes estructurales se transcriben,sintetizándose las enzimas que metabolizan la lactosa.
  46. 46. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Regulación en eucariotas. La regulación en los organismos eucariotas, especialmente en los pluricelulares es más compleja y peor conocida. La regulación se realiza al inicio de la transcripción. Los mecanismos utilizados actúan sobre la actividad de la ARN-polimerasa, cuya capacidad de iniciar la transcripción depende de:  La separación de las histonas asociadas al ADN en los nucleosomas para facilitar el acceso de la ARN- polimerasa.  La existencia de factores activadores que responden a diversas señales intra y extracelulares. Entre la últimas cabe citar las hormonas. Estas provocan respuestas concretas en las células diana. El mecanismo de acción depende del tipo de hormonas.
  47. 47. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Las hormonas esteroideas, por su naturaleza lipídica penetran dentro de la célula y tras su unión con ciertas proteínas citoplasmáticas receptoras, pasan al núcleo y allí se fijan a determinadas secuencias del ADN induciendo la transcripción de determinados genes. Las hormonas peptídicas, no atraviesan la membrana, sino que se unen a receptores específicos presentes en ella, lo cual provoca la activación de la enzima adenilato ciclasa que cataliza la síntesis de AMPc a partir de ATP. Este AMPc actúa como un mensajero intracelular y activa proteínas reguladoras de la transcripción.

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