Tema 9 B PDF - Biología Celular

José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 2012 El DNA Se forma por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas Las bases nitrogenadas son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Las bases se encuentran emparejada...

José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 2012 El DNA Se forma por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas Las bases nitrogenadas son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Las bases se encuentran emparejadas A – T y C – G a través de puentes de hidrógeno El apareamiento de las bases es estable y es universal Este apareamiento es la clave de la información contenida en los ácidos nucleicos y de su transmisión Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Esquema del flujo de información genética Replicación Transcripción Traducción DNA RNA PROTEÍNAS Retrotranscripción La duplicación del DNA para dar un nuevo DNA idéntico se denomina replicación La copia de la información del DNA en una molécula de RNA se denomina transcripción La copia de la información de un RNA en una molécula de DNA se denomina retrotranscripción La transformación de la información de un RNA en una proteína se denomina traducción Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Replicación La doble hélice se separa en sus dos cadenas (ruptura de los enlaces de hidrógeno) Cada una de las cadenas actúa como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria La síntesis de las nuevas cadenas se realiza por la adición de los nucleótidos complementarios La incorporación de nucleótidos se realiza siguiendo la secuencia de la cadena complementaria Las DNA polimerasas unen cada nucleótido con el anterior Es un proceso complejo en el que intervienen diversas enzimas y proteínas reguladoras Se necesita energía (ATP) y los cuatro nucleótidos libres Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Resultado de la replicación El DNA se duplica en cada ciclo de división celular A partir de una molécula de DNA se producen dos dobles hélices de DNA idénticas a la original Cada una de ellas conserva una cadena "antigua" que corresponde a la molécula original (el molde) y una cadena de nueva síntesis Este mecanismo de replicación se denomina semiconservativo Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Modelo semiconservativo Doble hélice original Dos dobles hélices después de un ciclo de replicación Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Pasos fundamentales de la replicación Las dos cadenas de la doble hélice se desenrollan y se separan (helicasa) Las bases de las dos cadenas quedan expuestas y se produce “una burbuja de replicación”. La DNA polimerasa comienza a unir nucleótidos (bases complementarias) sobre los que han quedado expuestos Intervienen dos moléculas de la enzima (una por cadena), que avanzan en direcciones opuestas. El crecimiento de las nuevas cadenas ocurre siempre en el mismo sentido químico de 5‘-3‘. Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  Al desenrollarse la doble hélice se produce una torsión que se libera por las topoisomerasas La apertura de la doble hélice es sólo en una dirección (según avanza la helicasa) pero la síntesis se produce de manera simultánea en ambas hebras La polimerasa incorpora los nucleótidos en sentido 5’ – 3’, las polimerasas trabajan en dirección opuesta en cada hebra Una de ellas realiza la síntesis de forma continua mientras que la otra lo hace de forma discontinua generando fragmentos que posteriormente deben unirse Para iniciar la síntesis es necesario que la DNA polimerasa tenga algún punto de anclaje, este lo proporciona un cebador de RNA sintetizado por la primasa Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Elementos del proceso de replicación Existe un origen de replicación que reconoce la DNA polimerasa El DNA se replica en sentidos opuestos (bidireccional) a partir de este origen, formando dos horquillas de replicación (regiones en las que separa la doble hélice) En eucariotas se forman “complejos de replicación” que constan de: DNA helicasa, abre la doble hélice Otras proteínas, se unen a las hebras separadas para que no se junten de nuevo mientras se realiza la copia Primasa, sintetiza el cebador para iniciar la replicación. Posteriormente, este RNA se elimina y sustuye por DNA DNA polimerasa, añade los nucleótidos complementarios a la hebra molde. DNA ligasa, une los fragmentos de DNA para dar una cadena continua Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  Eucariotas = varios orígenes de replicación Procariotas = un origen de replicación Cadena conductora: el complejo de replicación avanza Cadena conductora desde el origen hasta el final de la hebra de forma continuay utilizando un único cebador Cadena retardada: la DNA polimerasa sintetiza de forma discontinua y cada tramo debe utilizar un cebador para iniciar su copia. A estos fragmentos discontinuos de DNA se les denomina fragmentos de Okazaki. La DNA ligasa unirá los fragmentos de Okazaki para tener una hebra de DNA completa y continua. Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Mecanismos de reparación Mecanismo de lectura y reparación: la DNA polimerasa corrige los errores que se detectan según va añadiendo nucleótidos. Mecanismo de reparación de apareamientos incorrectos: la DNA polimerasa “repasa” el trabajo y corrige los errores cuando detecta apareamientos de bases incorrectos Mecanismo de reparación por escisión: detecta bases dañadas o el exceso de bases en una de las hebras, las elimina y las sustituye por las bases correctas. La eliminación de las bases la realizan proteínas específicas mientras que la incorporación de las correctas lo realiza la DNA polimerasa. Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Mutaciones Cambios en la secuencia del DNA Mutaciones puntuales; afectan a uno o muy pocos nucleótidos: Mutaciones de cambio de sentido; origina un cambio en la secuencia de aminoácidos de la proteína Mutaciones silenciosas o sinónimas; transforma un codón en otro codón sinónimo (sigue codificando para el mismo aminoácido) Mutaciones de cambio de fase; un cambio puntual (por adición o deleción) modifica la secuencia del los codones a partir de ese punto Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  Mutaciones cromosómicas; pueden abarcar desde pequeños fragmentos cromosómicos hasta un cromosoma entero Eliminación (deleción) Cambio de sitio (transposición) Cambio de posición (inversión) Duplicación (duplicación) Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  Cambios en el número de cromosomas (poliploidía, aneuploidía) Las mutaciones pueden producirse espontáneamente (mutaciones espontáneas) durante la replicación del DNA, transcripción a un RNA y/o la traducción, o pueden verse inducidas por agentes externos agentes mutagénicos (sustancias químicas que alteran el DNA, radiaciones, etc) Las mutaciones espontáneas son claves en la evolución pues pueden originar una ventaja específica a ciertos individuos frente a sus competidores adaptándose mejor al entorno en ese momento concreto Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Ribosomas pequeños orgánulos que aparecen tanto en células procariotas (70S) como eucariotas (80S) formados por dos subunidades de diferente tamaño: grande y pequeña formados por proteínas específicas y RNA ribosómico llevan a cabo la traducción (síntesis de proteínas a partir de la información que porta el mRNA) en la célula eucariota pueden estar libres en el citoplasma o adheridos al RER también hay ribosomas dentro de las mitocondrias y de los cloroplastos José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 2012 El RNA Polinucleótido generalmente de cadena única Sus bases nitrogenadas son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). Durante su síntesis se incorpora un U en vez de A cuando hay una T en el DNA. Tres tipos de RNA en función de su estructura y función: -RNA mensajero (RNAm) -RNA de transferencia (RNAt) -RNA ribosómico (RNAr) Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Transcripción Síntesis de RNA utilizando como molde una de las hebras del DNA o una cadena de RNA Realizada por la RNA polimerasa El RNA resultante de la transcripción puede portar información para: La secuencia de aminoácidos de una proteína (RNAm) Formar parte de un ribosoma (RNAr) Transportar un aminoácido al ribosoma durante la síntesis de proteínas (RNAt) Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Fases de la transcripción Se necesita un promotor, una región de DNA que se encuentra anterior a la zona que se va a transcribir y a la que se une la RNA polimerasa y otros factores reguladores El promotor presenta zonas de secuencia reconocidas por la RNA polimerasa y otros factores reguladores Según se transcribe el DNA, el RNA aumenta de longitud El proceso finaliza cuando la RNA polimerasa llega a la región de terminación La RNA polimerasa desenrolla el DNA y comienza la transcripción Una vez pasa la RNA polimerasa el DNA recupera su estructura La RNA polimerasa no tiene actividad correctora, por lo que no se corrigen los errores de la secuencia producidos durante la transcripción Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Traducción Intervienen los tres tipos de RNA (RNAm, RNAt y RNAr). Tiene lugar en el ribosoma (orgánulo formado por RNAr y proteínas) El RNAt transporta los aminoácidos hasta el ribosoma y los deposita sobre el RNAm El RNAt tiene una región de tres bases denominada “anticodon” complementaria al codón de tres bases correspondiente del RNAm y determina qué aminoácido transportan. Cada anticodon reconoce a un codon definido y determina el aminoácido a incorporar La unión del aminoácido específico al RNAt para ser transportado hasta el ribosoma requiere un gasto de energía (ATP) y la ayuda de una enzima activadora aminoacil-RNAt sintetasa). En las células eucariotas el RNAm debe salir del núcleo para llegar a los ribosomas del citoplasma Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte El código genético Es la clave para la traducción del “lenguaje” de los nucleótidos al “lenguaje” de los aminoácidos Las “palabras” en el DNA y en el RNA están formadas por tres nucleótidos Tres nucleótidos adyacentes en la hebra del RNAm constituyen el codón Cada codón o triplete es complementario a tres bases del DNA Hay 64 posibles codones, cada uno de ellos corresponde a un aminoácido o a una señal de terminación Un aminoácido puede estar codificado por más de un codon pero un codon solo puede codificar para un único aminoácido El primer codón de toda proteína o codón de iniciación es AUG, correspondiente a la metionina Hay otros tres codones de terminación que significan que la terminación de la transcripción Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  El código genético se caracteriza por: Ser redundante (degenerado); algunos aminoácidos se codifican por varios codones diferentes, que suelen diferir sobre todo en la tercera base No es ambiguo; cada codón sólo codifica para un único aminoácido Es universal; es común para todos los seres vivos aunque hay pequeñas diferencias en mitocondrias y cloroplastos con significado desconocido Segunda base del codón Stop Primera base del codón Tercera base del codón Iniciación Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Fases de la traducción Fase de Iniciación: Comienza con la formación de un complejo de iniciación formado por la subunidad pequeña del ribosoma y el RNAm al que se une el primer RNAt con el aminoácido correspondiente al primer codon (AUG) Después de la unión del primer RNAt con metionina al RNAm, se une la subunidad grande del ribosoma, de tal forma que en RNAt queda en el sitio P (peptidil) del ribosoma, quedando libre por el momento el sitio A (aminoacil) Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Fase de elongación: Entra al sitio A un segundo RNAt con el anticodón complementario al segundo codón del RNAm Se forma un enlace peptídico entre el primer aminoácido (unido al RNAt que está en el sitio P) y el segundo aminoácido unido al RNAt que se localiza en el sitio A Se libera el RNAt sin aminoácido del sitio P El ribosoma se desplaza a lo largo de la hebra de RNA en dirección 5’ - 3’ El RNAt con los dos aminoácidos unidos pasa ahora al sitio P, quedando el sitio A libre Entra un nuevo RNAt con el aminoácido correspondiente al tercer codón del RNAm y se repiten los dos pasos anteriores Estos pasos se repiten hasta que se llega a un codón de terminación Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Fase de terminación: Al llegar a un codón de terminación, entra al sitio A del ribosoma un factor de liberación (proteína) Se libera el polipéptido sintetizado, se sueltan las dos subunidades del ribosoma liberando el factor de terminación y el RNAm (que puede volver a ser leído o degradarse) Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  RNAt (anticodon = Met) Iniciación Elongación Terminación Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte Marcos de lectura Según el punto de inicio de la lectura, a partir de una misma secuencia de RNA es posible “leer” tres secuencias diferentes Esto supone que una hebra de RNAm podría dar lugar a tres posibles proteínas diferentes La secuencia que se lee sería completamente diferente e incluso puede variar su longitud si aparece un codón de terminación como en el marco de lectura 3 (codón UAA) del ejemplo Raquel Martín Folgar & José Luis Martínez Guitarte  La expresión de los genes se regula No hay ninguna célula que tenga todos sus genes activos a la vez Un gen está activo cuando se transcribe y se traduce a una proteína Existen regiones reguladoras delante de cada gen que forman un promotor El promotor interacciona con proteínas específicas que activan o inactivan la transcripción de un gen determinado Hay regiones reguladoras que controlan toda una batería de genes relacionados José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  Los mecanismos implicados en el control de la expresión y el nivel de actividad de los genes están a tres niveles: A nivel de la cromatina (proteínas estructurales y reguladoras): ▪ Cromatina condensada; inaccesible a la transcripción inactiva ▪ Cromatina abierta; puede expresarse A nivel del RNA: ▪ La interacción de proteínas reguladoras con las secuencias reguladoras de los genes condiciona la transcripción ▪ La maduración y la estabilidad de los mensajeros A nivel de la síntesis de proteínas: ▪ Define si se inicia la traducción ▪ Control de los tiempos y velocidad de la traducción Procesos post-traducción (activación de proteínas) José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Niveles de regulación de la expresión génica en eucariotas José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Regulación de la transcripción Estructura de la cromatina Condiciona la accesibilidad de la maquinaria de transcripción y por tanto la posibilidad de que se expresen los genes Los cambios en la condensación del DNA suponen cambios en la estructura local de la cromatina y permite o impide el acceso de las proteínas al DNA Las secuencias reguladoras son inaccesibles cuando la cromatina está compactada La unión de las proteínas de la cromatina compacta al DNA se basa en la configuración espacial, tanto de las proteínas como del propio DNA (histonas) José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  Secuencias reguladoras y factores de transcripción La regulación de la transcripción puede producirse en diversos puntos del proceso y provoca una transcripción diferencial de los genes, debida a la participación de: Regiones reguladoras del gen: promotores Regiones intensificadoras: secuencias de DNA lejanas al promotor y al sitio de iniciación, a ellas se unen proteínas activadoras que intensifican la transcripción Regiones silenciadoras: secuencias de DNA lejanas al promotor y al sitio de iniciación a las que se unen represores que impiden la transcripción José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  Factores de transcripción, proteínas reguladoras: ▪ Deben unirse al DNA para que la RNA polimerasa reconozca al promotor y el sitio de iniciación (generalmente una caja TATA) e inicie la transcripción ▪ Participan en el control de la transcripción permitiendo su modulación, en respuesta a estímulos internos o externos RNA polimerasas José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Regiones reguladoras Regiones intensificadoras o silenciadoras José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Regulación post-transcripcional La regulación post-transcripcional se centra en los procesos que sufre el mRNA una vez transcrito y antes de entrar en el ribosoma para su traducción: Maduración del mRNA (splicing) La estabilidad o longevidad del mRNA: la adición de la caperuza G permite que los mRNA que la llevan se traduzcan la cola poliA, que retarda la degradación del RNA mensajero por acción de exonucleasas que hay en el citoplasma Lenta degradación de los mensajeros (vida media aprox 10h) José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  Splicing: eliminación de regiones no codificantes “Splicing alternativo” CAP 5´: residuo 7-metilguanosina - Protección del mRNA de la degradación por las nucleasas - Sitio de reconocimiento para la maquinaria de síntesis proteica Adición de una cola poli-A (señal AATAAA para la Poli A polimerasa) - Protección del mRNA de la degradación por las nucleasas José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Regulación de la traducción La síntesis de una proteína se realiza en diferentes cantidades y a distintas velocidades Control del proceso de traducción Moléculas que inhiben la traducción: Antibióticos actúan impidiendo que las bacterias produzcan proteínas (penicilina) Polisomas (poliribosomas) estas estructuras se observan cuando varios ribosomas transcriben al mismo tiempo un mismo mRNA podemos encontrarlos en células que necesitan producir una o varias proteínas diferentes en grandes cantidades José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 Regulación post-traduccional Proteolisis: ocurre en el retículo endoplásmico y consiste cortar una parte de la secuencia de aminoácidos que se había incluido en la proteína; bien porque hace falta para su activación o bien porque la proteína está formada por varias cadenas separadas que se sintetizan todas seguidas en un primer momento (proteasas) Fosforilación: adición de grupos fosfato a las proteínas para modificar la estructura tridemensional de la proteína, necesaria para su activación la realizan las proteínas quinasas Glicosilación: adición de hidratos de carbono a las proteínas ocurre en el aparato de Golgi y/o en el retículo endoplásmico, y pueden servir de señal tanto para activar y estabilizar la proteína como para dirigirla hacia los lisosomas que la sacarán de la célula José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201 José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  Regiones de la secuencia de proteínas que las orienta hacia su destino, posteriormente son eliminadas: Terminar la traducción y ser liberada al citoplasma: Si tiene señal, las proteínas van a algún orgánulo específico de la célula Si no tiene la secuencia señal, las proteínas se quedan en el citoplasma Detener la traducción, ir al retículo endoplásmico y terminar allí la síntesis: Si tienen la señal, las proteínas son modificadas en el retículo endoplásmico, y de allí son enviadas al aparato de Golgi desde donde, envueltas en membrana, irán a su destino Si no tiene la secuencia señal, las proteínas son secretadas fuera de la célula José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201  La vida media de la proteína en la célula: existen diversos mecanismos de degradación de proteínas, entre los cuales el más común es la ubiquitinización En este caso las proteínas que deben destruirse se unen a la ubiquitina, una proteína de pequeño tamaño, que las marca para Que se dirijan hacia el proteosoma (complejo multiproteico que elimina aquellas proteínas que son inservibles o que son defectuosas, incluyendo aquellas de nueva síntesis que no son aptas para su función José Luis Martínez Guitarte – Raquel Martín Folgar 201