Expresión genética: del gen a la proteína PDF

Expresión genética: del gen a la proteína 2014 Pearson Education, Inc. Dra. Sheila M. Soler Llavina Flujo de la informacion genética ▪ El contenido de información de los genes se encuentra en las secuencias específicas de nucleótidos ▪ El ADN heredado por un organismo conduce...

Expresión genética: del gen a la proteína 2014 Pearson Education, Inc. Dra. Sheila M. Soler Llavina Flujo de la informacion genética ▪ El contenido de información de los genes se encuentra en las secuencias específicas de nucleótidos ▪ El ADN heredado por un organismo conduce a rasgos específicos dictando la síntesis de proteínas ▪ Las proteínas son los vínculos entre el genotipo y el fenotipo ▪ La expresión génica, el proceso por el cual el ADN dirige la síntesis de proteínas, incluye dos etapas: transcripción y traducción ▪ 1 ¿Cómo es que un solo gen defectuoso resulta en la dramática aparición de un ciervo albino? Mapache albino 2 Principios Básicos de Transcripción y Traducción ▪ El ARN es el puente entre los genes y las proteínas para las que codifican ▪ La transcripción es la síntesis del ARN utilizando información en el ADN ▪ La transcripción produce ARN mensajero (mRNA) ▪ La traducción es la síntesis de un polipéptido, utilizando información en el ARNm ▪ Los ribosomas son los sitios de traducción ▪ En los procariotas, la traducción del mARN puede comenzar antes de que la transcripción haya terminado ▪ En una célula eucariota, el núcleo separa la transcripción de la traducción ▪ Las transcripciones de ARN eucariota se modifican a través del procesamiento de ARN para producir el mARN terminado 3  https://youtu.be/gG7uCskUOrA Nuclear envelope DNA TRANSCRIPTION Pre-mRNA RNA PROCESSING NUCLEUS mRNA DNA TRANSCRIPTION CYTOPLASM CYTOPLASM mRNA TRANSLATION Ribosome Ribosome TRANSLATION Polypeptide Polypeptide (a) Bacterial cell (b) Eukaryotic cell 4  DNA TRANSCRIPTION CYTOPLASM mRNA (a) Bacterial cell DNA TRANSCRIPTION CYTOPLASM mRNA Ribosome TRANSLATION Polypeptide (a) Bacterial cell 5  Nuclear envelope DNA TRANSCRIPTION Pre-mRNA NUCLEUS CYTOPLASM (b) Eukaryotic cell Nuclear envelope DNA TRANSCRIPTION Pre-mRNA RNA PROCESSING NUCLEUS mRNA CYTOPLASM (b) Eukaryotic cell 6  Nuclear envelope DNA TRANSCRIPTION Pre-mRNA RNA PROCESSING NUCLEUS mRNA CYTOPLASM TRANSLATION Ribosome Polypeptide (b) Eukaryotic cell ▪ Un transcripto primario es la transcripción inicial del ARN de cualquier gen antes del procesamiento ▪ El dogma central es el concepto de que las células se rigen por una cadena de mando celular: ADN → ARN → proteína 7  Dogma Central Biología Molecular DNA RNA Protein Animation: Transcription https://www.pearson.com/channels/biology/asset/2fe1beac/anim ation-overview-of-transcription 8 La transcripción es la síntesis del ARN dirigida por el ADN : Una mirada más cercana ▪ La transcripción es la primera etapa de la expresión genética ▪ The Big Picture: Pre-mRNA Molecular Components of Transcription ▪ La síntesis de ARN es catalizada por ARN polimerasa, que separa las hebras de ADN y une los nucleótidos de ARN ▪ La ARN es complementario a la hebra molde de ADN ▪ La ARN polimerasa no necesita “priming” ▪ La síntesis de ARN sigue las mismas reglas de pareo que el ADN, excepto que el uracilo sustituye a la timina Estructura general de un gen 9  Promoter Transcription unit 5′ 3′ 3′ 5′ Start point RNA polymerase 1 Initiation 5′ 3′ 3′ 5′ Unwound RNA Template strand of DNA DNA transcript Promoter Transcription unit 5′ 3′ 3′ 5′ Start point RNA polymerase 1 Initiation 5′ 3′ 3′ 5′ Unwound RNA Template strand of DNA DNA transcript 2 Elongation Rewound 5′ DNA 3′ 3′ 3′ 5′ 5′ Direction of RNA transcription transcript (“downstream”) 10  Promoter Transcription unit 5′ 3′ 3′ 5′ Start point RNA polymerase 1 Initiation 5′ 3′ 3′ 5′ Unwound RNA Template strand of DNA DNA transcript 2 Elongation Rewound 5′ DNA 3′ 3′ 3′ 5′ 5′ Direction of RNA transcription transcript (“downstream”) 3 Termination 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ Completed RNA transcript https://youtu.be/PmG0bQ2d4_4 11 ▪ La secuencia de ADN donde se une el ARN se llama promotor; en las bacterias, la secuencia que señala el final de la transcripción se llama el terminador ▪ El tramo de ADN que se transcribe se denomina unidad de transcripción 12 Síntesis de un transcripto de ARN ▪ Las tres etapas de la transcripción ▪ Iniciación ▪ Alargamiento ▪ Terminación Union de ARN Polimerasa e Inicio de la Transcripción ▪ Los promotores señalan el punto de inicio de transcripcion y generalmente extienden varias docenas de pares de nucleótidos mas allá del punto de inicio ▪ Los factores de transcripción median la unión de la ARN polimerasa y el inicio de la transcripción ▪ El conjunto completado de factores de transcripción y ARN polimerasa II unido a un promotor se denomina complejo de iniciación de transcripción ▪ Un promotor llamado caja TATA es crucial para formar el complejo de iniciación en eucariotas 13  Promoter Nontemplate strand DNA 5′ T A T AAAA 3′ 1 A eukaryotic 3′ AT AT T T T 5′ promoter TATA box Start point Template strand Transcription factors 5′ 3′ 2 Several 3′ 5′ transcription factors bind to DNA. RNA polymerase II Transcription factors 5′ 3′ 3 Transcription 5′ 3′ 3′ 5′ initiation RNA transcript complex forms. Transcription initiation complex Alargamiento de la cadena de RNA ▪ A medida que la ARN polimerasa se mueve a lo largo del ADN, desenrolla la doble hélice, de 10 a 20 bases a la vez ▪ La transcripción progresa a una velocidad de 40 nucleótidos por segundo en eucariotas ▪ Un gen puede ser transcrito simultáneamente por varias polimerasas de ARN ▪ Los nucleótidos se añaden al extremo de 3’ de la molécula de ARN que se esta construyendo 14  Nontemplate strand of DNA RNA nucleotides RNA polymerase T C C A A A 3′ 5′ 3′ end U A U C C A 5′ 3′ T A G G T T 5′ Direction of transcription Template strand of DNA Newly made RNA EL MECANISMO DE TERMINACIÓN ES DIFERENTE: EUCARIOTAS VS. PROCARIOTAS ▪ Procariotas ▪ Eucariotas ▪ LA TRANSCRIPCIÓN SIGUE ▪ La RNA polimerasa II HASTA LLEGAR A LA transcribe la secuencia SECUENCIA DE señal de poliadenilacion; TERMINACIÓN EN EL DNA. ▪ El transcrito de RNA es ▪ ESTO CAUSA QUE LA POLIMERASA SALGA DEL liberado luego de pasar DNA Y LIBERE EL de 10–35 nucleotidos de TRANSCRITO. esta secuencia. ▪ EL M-RNA ESTA LISTO ▪ Esta listo para su PARA LA TRADUCCION. procesamiento. 15 Las células eucariotas modifican el ARN después de la transcripción ▪ Las enzimas en el núcleo eucariota modifican el pre-ARNm (procesamiento de ARN) antes de que los mensajes genéticos se envíen al citoplasma ▪ Durante el procesamiento del ARN, ambos extremos del transcripto primario generalmente se alteran ▪ Además, por lo general ciertas secciones interiores de la molécula se cortan, y las partes restantes se unen 16 Alteración de los extremos del ARNm ▪ Cada extremo de una molécula de pre-ARNm se modifica de una manera particular ▪ El extremo 5 ′ recibe una tapa 5 ′ de nucleótidos modificada ▪ El extremo 3 ′ tiene una cola poli-A ▪ Estas modificaciones comparten varias funciones ▪ Parecen facilitar la exportación de ARNm al citoplasma. ▪ Protegen el ARNm de las enzimas hidrolíticas. ▪ Ayudan a que los ribosomas se adhieran al extremo 5 ' A modified guanine 50–250 adenine nucleotide added to nucleotides added the 5′ end to the 3′ end Region that includes Polyadenylation protein-coding segments signal 5′ 3′ G P P P AAUAAA AAA…AAA 5′ Cap 5′ UTR Start Stop 3′ UTR Poly-A tail codon codon 17 Dividir genes y empalme de ARN ▪ La mayoría de los genes eucariotas y sus transcriptos de ARN tienen largos tramos de nucleótidos no codificantes que se encuentran entre las regiones codificantes ▪ Estas regiones no codificantes se llaman intrones ▪ Las otras regiones se llaman exones porque finalmente se expresan, generalmente se traducen en secuencias de aminoácidos ▪ El empalme de ARN elimina los intrones y une exones, creando una molécula de ARNm con una secuencia de codificación continua Pre-mRNA Intron Intron 5′ Cap Poly-A tail 1–30 31–104 Introns cut out 105–146 and exons spliced together mRNA 5′ Cap Poly-A tail 1–146 5′ UTR 3′ UTR Coding segment 18 “SPLICEOSOME” 5 RNA transcript (pre-mRNA) Exon 1 Intron Exon 2 ▪ EN ALGUNOS CASOS 1 Protein snRNA Other proteins LA REMOCION DE INTRONES OCURRE snRNPs EN LOS Spliceosome SPLICEOSOME. 2 5 ▪ CONSISTEN DE PROTEINAS Y snRNP. ▪ CORTA EN LUGARES ESPECIFICOS Y Spliceosome LIBERAN EL “INTRÓN”, components Cut-out UNIENDO LOS DOS intron mRNA EXONES. 3 5 Exon 1 Exon 2 RNA transcript (pre-mRNA) 5 Exon 1 Intron Exon 2 Protein Other snRNA proteins snRNPs 19  RNA transcript (pre-mRNA) 5 Exon 1 Intron Exon 2 Protein Other snRNA proteins snRNPs Spliceosome 5 Figure 17.12-3 RNA transcript (pre-mRNA) 5 Exon 1 Intron Exon 2 Protein Other snRNA proteins snRNPs Spliceosome 5 Spliceosome components Cut-out mRNA intron 5 Exon 1 Exon 2 20  Importancia de los intrones ▪ Pueden contener secuencias importantes reguladoras de la expresion genetica ▪ Algunos genes pueden formar mas de una proteina dependiendo de los exones que se empalman. Empalme de RNA alternativo (alternative RNA splicing). ▪ Consecuentemente el número de proteínas que un organismo puede producir es mayor al número de genes en su genoma. Dominios y exones ▪ Algunas veces un exon codifica para un dominio en una proteina. ▪ Combinaciones diferentes de estos dominios han creado variedad de proteinas. 21 Correspondencia entre exones y dominios proteicos Gene DNA Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3 Transcription RNA processing Translation Domain 3 Domain 2 Domain 1 Polypeptide TRADUCCIÓN 22 La traducción es la síntesis dirigida por ARN de un polipéptido: Una mirada más cercana ▪ La información genética fluye del mRNA a la proteína a través del proceso de traducción ▪ Una célula traduce un mensaje de mRNA en proteína con la ayuda de ARN de transferencia (tARN) ▪ Los tRNA transfieren aminoácidos al polipéptido en crecimiento en un ribosoma El Código Genético ▪ ¿Cómo se codifican las instrucciones para ensamblar aminoácidos en proteínas en el ADN? ▪ Hay 20 aminoácidos, pero sólo hay cuatro bases de nucleótidos en el ADN ▪ ¿Cuántos nucleótidos corresponden a un aminoácido? 23 Codones: Tripletes de Nucleótidos ▪ El flujo de información del gen a la proteína se basa en un código de triplete: una serie de palabras no superpuestas de tres nucleótidos ▪ Las palabras de un gen se transcriben en palabras complementarias no superpuesto de tres nucleótidos de mRNA ▪ Estas palabras se traducen en una cadena de aminoácidos, formando un polipéptido DNA template 3′ 5′ strand A C C A A A C C G A G T T G G T T T G G C T C A 5′ 3′ TRANSCRIPTION mRNA U G G U U U G G C U C A 5′ 3′ Codon TRANSLATION Protein Trp Phe Gly Ser Amino acid 24 Traducción https://youtu.be/z2sICp8E1BA Recuerda… ▪ Durante la transcripción, una de las dos hebras de ADN, llamada hebra molde (plantilla), proporciona una plantilla para ordenar la secuencia de nucleótidos complementarios en un transcripto de ARN ▪ La hebra plantilla es siempre la misma para un gen dado ▪ Durante la traducción, los tripletes de mRNA, llamados codones, se leen en la dirección de 5’ → 3’ ▪ Cada codón especifica el aminoácido (uno de 20) colocarse en la posición correspondiente a lo largo de un polipéptido 25 Descifrando el código ▪ Los 64 codones fueron descifrados a mediados de la década de 1960 ▪ De los 64 tripletes, 61 codifican aminoácidos; 3 tripletes son señales de "detener" para finalizar la traducción ▪ El código genético es redundante (más de un codón puede especificar un aminoácido en particular) pero no ambiguo; ningún codón especifica más de un aminoácido ▪ Los codones deben leerse en el marco de lectura correcto (agrupaciones correctas) para que se produzca el polipéptido especificado Second mRNA base U C A G UUU UCU UAU UGU U Phe Tyr Cys UUC UCC UAC UGC C U Ser UUA UCA UAA Stop UGA Stop A Leu Third mRNA base (3′ end of codon) UCG UAG Stop UGG Trp G First mRNA base (5′ end of codon) UUG CUU CCU CAU CGU U His CUC CCC CAC CGC C C Leu Pro Arg CUA CCA CAA CGA A Gln CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U Asn Ser AUC Ile ACC AAC AGC C A Thr AUA ACA AAA AGA A Lys Arg Met or AUG start ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Asp GUC GCC GAC GGC C G Val Ala Gly GUA GCA GAA GGA A Glu GUG GCG GAG GGG G 26 Evolución del Código Genético ▪ El código genético es universal, compartido por las bacterias más simples a los animales más complejos ▪ Esto permite que los genes pueden ser transcritos y traducidos después de ser trasplantados de una especie a otra (a) Tobacco plant expressing (b) Pig expressing a jellyfish a firefly gene gene 27  Amino Polypeptide acids tRNA with amino acid attached Ribosome Gly tRNA Anticodon A A A U G G U U U G G C 5′ Codons 3′ mRNA La estructura y la función del ARN de transferencia ▪ Las moléculas de tRNA no son idénticas ▪ Cada uno lleva un aminoácido específico en un extremo ▪ Cada uno tiene un anticodon en el otro extremo; los pares de base anticodon con un codón complementario sobre el ARNm 28 ▪ Una molécula de tRNA consiste en una sola cadena de ARN que es sólo unos 80 nucleótidos de largo ▪ Aplanada en un plano para revelar su emparejamiento base, una molécula de tRNA parece una hoja de trébol ▪ Debido a los enlaces de hidrógeno, el tRNA en realidad se retuerce y se pliega en una molécula tridimensional que tiene aproximadamente forma de L 3′ Amino acid A C attachment C site A 5′ C G Amino acid G C attachment site C G 5′ U G U A 3′ A U U C A U * C A C A G U A G * A * C U C G * G U G U* G C * * C C G A G A G Hydrogen U * G *GA bonds G C G C Hydrogen U A bonds * G * A A C * U A A G A A G 3′ 5′ Anticodon Anticodon Anticodon (a) Two-dimensional structure (b) Three-dimensional (c) Symbol used structure in this book 29  3′ Amino acid A C attachment C site A 5′ C G G C C G U G U A A U U C A U * C A C AG U A G * A * C U C G * G U G U* C G A G G C * * C A G G U * * GA G C G C Hydrogen U A bonds * G * A A C * U A G A Anticodon (a) Two-dimensional structure Amino acid attachment site 5′ 3′ Hydrogen bonds A A G 3′ 5′ Anticodon Anticodon (b) Three-dimensional (c) Symbol used structure in this book 30 ▪ La traducción precisa requiere dos pasos ▪ Primero: una correspondencia correcta entre un tRNA y un aminoácido, realizada por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa ▪ Segundo: una correspondencia correcta entre el anticodón de ARNt y un codón de ARNm ▪ El apareamiento flexible en la tercera base de un codón se denomina oscilación y permite que algunos tRNA se unan a más de un codón. 1 Amino acid Tyrosine (Tyr) and tRNA (amino acid) enter active site. Tyrosyl-tRNA synthetase Tyr-tRNA A U A Complementary tRNA anticodon 31 1 Amino acid Tyrosine (Tyr) and tRNA (amino acid) enter active site. Tyrosyl-tRNA synthetase Tyr-tRNA Aminoacyl-tRNA A U A synthetase ATP Complementary AMP + 2 P i tRNA tRNA anticodon 2 Using ATP, Amino synthetase acid catalyzes covalent bonding. Computer model 1 Amino acid Tyrosine (Tyr) and tRNA (amino acid) enter active site. Tyrosyl-tRNA synthetase Tyr-tRNA Aminoacyl-tRNA A U A synthetase ATP Complementary AMP + 2 P i tRNA tRNA anticodon 3 Aminoacyl 2 Using ATP, Amino tRNA synthetase acid released. catalyzes covalent bonding. Computer model 32 Ribosomas ▪ Los ribosomas facilitan el acoplamiento específico de los anticodones del tRNA con los codones del mRNA en la síntesis de proteínas ▪ Las dos subunidades ribosómicas (grande y pequeña) están formadas por proteínas y RNA ribosómico (rRNA). ▪ Los ribosomas bacterianos y eucariotas son algo similares pero tienen diferencias significativas: algunos antibióticos se dirigen específicamente a los ribosomas bacterianos sin dañar los ribosomas eucariotas Growing polypeptide Exit tunnel tRNA molecules Large E P subunit A Small subunit 5′ mRNA 3′ (a) Computer model of functioning ribosome Growing polypeptide Next amino P site (Peptidyl-tRNA Amino end binding site) Exit tunnel acid to be added to A site (Aminoacyl- polypeptide tRNA binding site) chain E site (Exit site) E P A Large E tRNA mRNA 3′ subunit mRNA binding Small 5′ Codons site subunit (b) Schematic model showing binding sites (c) Schematic model with mRNA and tRNA 33  Growing polypeptide tRNA Exit tunnel molecules Large subunit E P A Small subunit 5′ mRNA 3′ (a) Computer model of functioning ribosome Un ribosoma tiene tres sitios de unión para tRNA ▪ El sitio P contiene el tRNA que lleva la cadena polipeptídica en crecimiento ▪ El sitio A contiene el tRNA que transporta el siguiente aminoácido que se agregará a la cadena. ▪ El sitio E es el sitio de salida, donde los tRNA descargados abandonan el ribosoma. 34  Growing polypeptide Amino end Next amino acid to be added to polypeptide chain E tRNA mRNA 3′ 5′ Codons (c) Schematic model with mRNA and tRNA Construcción de un polipéptido ▪ Las tres etapas de la traducción ▪ Iniciación ▪ Alargamiento ▪ Terminación ▪ Las tres etapas requieren "factores" de proteínas que ayudan en el proceso de traducción. ▪ Se requiere energía para algunos pasos también 35 Asociación Ribosoma e Iniciación de la Traducción ▪ La iniciación une el ARNm, un ARNt con el primer aminoácido y las dos subunidades ribosómicas. ▪ Primero, una pequeña subunidad ribosómica se une con el ARNm y con un ARNt iniciador especial ▪ Luego, la subunidad pequeña se mueve a lo largo del ARNm hasta que alcanza el codón de inicio (AUG) ▪ Las proteínas llamadas factores de iniciación incorporan la gran subunidad que completa el complejo de iniciación de la traducción. Large 3′ U A C 5′ ribosomal P site subunit 5′ A U G 3′ Pi Initiator + tRNA GTP GDP E A mRNA 5′ 5′ 3′ 3′ Start codon Small ribosomal mRNA binding site subunit Translation initiation complex 1 Small ribosomal subunit binds 2 Large ribosomal subunit to mRNA. completes the initiation complex. 36 Alargamiento de la cadena de polipéptidos ▪ Durante el alargamiento, los aminoácidos se agregan uno por uno al terminal C de la cadena en crecimiento. ▪ Cada adición involucra proteínas llamadas factores de elongación y ocurre en tres pasos: reconocimiento de codones, formación de enlaces peptídicos y translocación. ▪ El gasto energético ocurre en el primer y tercer paso ▪ La traducción procede a lo largo del mRNA en una dirección 5 ′ → 3 ′ Amino end of polypeptide 1 Codon E 3′ recognition mRNA P A 5′ site site GTP GDP + P i E P A 37  Amino end of polypeptide 1 Codon E 3′ recognition mRNA P A 5′ site site GTP GDP + P i E P A 2 Peptide bond formation E P A Amino end of polypeptide 1 Codon E 3′ recognition mRNA Ribosome ready for P A next aminoacyl tRNA 5′ site site GTP GDP + P i E E P A P A GDP + P i 3 Translocation GTP 2 Peptide bond formation E P A 38 Terminación de la traducción ▪ La terminación ocurre cuando un codón de terminación en el mRNA llega al sitio A del ribosoma ▪ El sitio A acepta una proteína llamada factor de liberación. ▪ El factor de liberación provoca la adición de una molécula de agua en lugar de un aminoácido. ▪ Esta reacción libera el polipéptido y el ensamblaje de traducción se deshace. Release factor 3′ 5′ Stop codon (UAG, UAA, or UGA) 1 Ribosome reaches a stop codon on mRNA. 39  Release Free factor polypeptide 3′ 3′ 5′ 5′ Stop codon (UAG, UAA, or UGA) 1 Ribosome reaches a 2 Release factor stop codon on mRNA. promotes hydrolysis. Release Free factor polypeptide 5′ 3′ 3′ 3′ 5′ 5′ 2 GTP Stop codon 2 GDP + 2 P i (UAG, UAA, or UGA) 1 Ribosome reaches a 2 Release factor 3 Ribosomal subunits stop codon on mRNA. promotes hydrolysis. and other components dissociate. 40  Growing Completed polypeptides polypeptide Incoming ribosomal subunits Start of mRNA End of mRNA (5′ end) (3′ end) (a) Several ribosomes simultaneously translating one mRNA molecule Ribosomes mRNA (b) A large polyribosome in a bacterial 0.1 µm cell (TEM) RNA polymerase DNA mRNA Polyribosome Direction of 0.25 µm RNA transcription polymerase DNA Polyribosome Polypeptide (amino end) Ribosome mRNA (5′ end) 41  DNA TRANSCRIPTION 3′ 5′ RNA RNA polymerase transcript Exon RNA RNA transcript PROCESSING (pre-mRNA) Intron Aminoacyl-tRNA synthetase NUCLEUS Amino acid AMINO ACID CYTOPLASM tRNA ACTIVATION mRNA 3′ A P Aminoacyl E Ribosomal (charged) subunits tRNA TRANSLATION E A A A A Anticodon U G G U U U A U G Codon Ribosome Completar y apuntar a la proteína funcional ▪ A menudo, la traducción no es suficiente para producir una proteína funcional. ▪ Las cadenas polipeptídicas se modifican después de la traducción o se dirigen a sitios específicos de la célula. 42 Plegamiento de proteínas y modificaciones postraduccionales ▪ Durante su síntesis, una cadena polipeptídica comienza a enrollarse y plegarse espontáneamente para formar una proteína con una forma específica: una molécula tridimensional con estructura secundaria y terciaria. ▪ Un gen determina la estructura primaria, y la estructura primaria, a su vez, determina la forma. ▪ Es posible que se requieran modificaciones postraduccionales antes de que la proteína pueda comenzar a hacer su trabajo particular en la célula. 43