Capítulo 17: Expresión Genética desde genes a proteínas PDF

Capítulo 17: Expresión Genética: desde genes a proteínas Campbell Reece, J, Urry, L., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P. and Jackson, R. (2011). Biology (9th ed.). Pearson/Benjamin Cummings....

Capítulo 17: Expresión Genética: desde genes a proteínas Campbell Reece, J, Urry, L., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P. and Jackson, R. (2011). Biology (9th ed.). Pearson/Benjamin Cummings. PP. 325-350 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings BIOL 203 – Biología General I Prof. Cheryl Batista, MS  El ADN heredado por un organismo lleva a caracteres (rasgos) específicos mediante la síntesis de proteínas. Las proteínas son el vínculo entre el genotipo y el fenotipo. La expresión genética, el proceso por el cual el ADN dirige la síntesis de proteínas, incluye 2 etapas: transcripción y traducción. Principios básicos de la transcripción y la traducción Los genes aportan las instrucciones para elaborar proteínas específicas. Pero un gen no constituye una proteína directamente. El puente entre el ADN (genes) y la síntesis de proteínas es el ARN.  Transcripción es la síntesis de ARN usando información del ADN (el ADN proporciona el molde para ensamblar la secuencia de ARN). La transcripción produce un ARN mensajero (ARNm). Traducción es la síntesis de un polipéptido, usando información del ARNm. Durante esta etapa hay un cambio de lenguaje: la célula debe traducir la secuencia de bases de una molécula de ARNm en la secuencia de aminoácidos del polipéptido. Los ribosomas son los sitios donde ocurre la traducción.  En procariotas, donde no hay un núcleo rodeado de membrana, la traducción del ARNm puede comenzar antes de que termine la transcripción. En una célula eucariota, la envoltura nuclear separa la transcripción de la traducción. la transcripción ocurre en el núcleo y el ARNm es enviado al citoplasma, donde ocurre la traducción. Antes de que partan al citoplasma los transcritos de ARN eucariota son modificados para obtener un ARNm maduro final. En una célula procariota que carece de núcleo rodeado de membrana el ARNm producido por transcripción se traduce de inmediato sin ningún procesamiento adicional. En una célula eucariota el núcleo rodeado de membrana proporciona un compartimiento separado para la transcripción. El transcrito original se llama pre- ARNm, se procesa de manera diferente antes de abandonar el núcleo como ARNm  El transcrito inicial de ARN de cualquier gen, incluidos los que no codifican para proteínas se conocen como transcrito primario (es el transcrito inicial de ARN de un gen antes del procesamiento). El dogma central es el concepto de que las células están gobernadas por una cadena celular de comandos: El código genético Cuando los biólogos empezaron a sospechar que las instrucciones para la síntesis de proteínas estaban codificadas en el ADN, identificaron un problema. Existen 20 aminoácidos, pero hay solo 4 nucleótidos en el ADN Entonces el código genético no podría ser como el lenguaje chino, en donde un solo símbolo corresponde a una única palabra. ¿Cuántos nucleótidos corresponden a un (1) aminoácido? Codones: Tripletes de Nucleótidos Código de tripletes: una serie de palabras compuestas de 3 nucleótidos que no se solapan. Cada 3 bases consecutivas dan lugar a un aminoácido Puede haber 64 (es decir, 43) palabras posibles, que son suficientes para especificar todos los aminoácidos. Estas palabras son luego traducidas en una cadena de aminoácidos, formando un polipéptido. Durante la transcripción, el gen determina la secuencia de bases a Recordemos que en ARN la timina se sustituye por uracilo lo largo de la molécula de ARNm. De cada gen solo se transcribe una de las dos cadenas de ADN (cadena molde) Transcripción (de DNA a mRNA) Hebra o cadena molde - provee un molde (plantilla) para ordenar la secuencia de nucleótidos complementarios en un transcrito de ARN. ARNm su secuencia es complementaria pero no idéntica a su plantilla de ADN: Los pares son iguales a cuando ocurre replicación del ADN excepto en que el U, el sustituto para la T en el RNA, se aparea con la A Los nucleótidos del ARNm tienen como azúcar la ribosa y no la desoxirribosa. Traducción Codones - tripletes del ARNm son leídos en la dirección 5′ → 3′ Especifica cual de los aminoácidos (1 de 20) será colocado en la posición correspondiente a lo largo del polipéptido. Descifrando el código Todos los 64 codones fueron descifrados a mediados de 1960s. De los 64 tripletes, 61 codifican para aminoácidos; 3 tripletes son señales de terminación (Stop) de la traducción. El codón AUG tiene doble función: 1. Codifica para el aminoácido metionina (Met) 2. Actúa como señal de comienzo o codón de iniciación  El código genético es redundante (más de 1 codón puede especificar para un amino ácido particular) pero no ambiguo; no hay codón que especifique para mas de 1 aminoácido. Ej. los codones GAA y GAG especifican el ácido glutámico (son redundantes) ninguno de ellos especifica algún otro aminoácido (no son ambiguos) Los codones deben ser leídos en el marco de lectura correcto (agrupamiento correcto) para que se pueda formar el polipéptido específico. Evolución del Código Genético El código genético es universal, compartido por todos los organismos (desde las bacterias mas simples hasta los animales mas complejos). Los genes pueden ser transcritos y traducidos luego de ser trasplantados de una especie Planta de tabaco expresando un gen de la luciérnaga. El Los investigadores inyectaron el gen para una proteína fluorescente a otra resplandor amarillo es producido por un químico en óvulos de cerdo fertilizados. Uno de los óvulos desarrolló en reacción catalizada por el este cerdo fluorescente producto proteico del gen de la luciérnaga. Transcripción Es la síntesis de RNA a partir del DNA Consiste en copiar la secuencia de ADN de un gen para producir una molécula de ARN Es la primera etapa de la expresión genética. Componentes moleculares de la transcripción ARNm se transcribe a partir de la cadena molde de un gen y es complementario a esta hebra molde. La síntesis de ARN está catalizada por la ARN polimerasa II Ésta enzima separa las hebras del ADN y engancha los nucleótidos de ARN entre si a medida que aparean sus bases a lo largo del molde de ADN.  Las RNA polimerasas solo pueden ensamblar un polinucleótido en la dirección 5’→3’ (igual que las DNA polimerasas en la replicación del ADN). La ARN polimerasa II no requiere “primer” (cebador/iniciador). La síntesis de ARN sigue las mismas reglas de pareo que hay en el ADN, excepto que uracilo sustituye a timina.  Promotor – es la secuencia de ADN donde la polimerasa de ARN se une El propósito no es codificar información sobre el organismo en sí, sino que sirven como un tipo de interruptor "on" para iniciar el proceso de transcripción en bacterias, la secuencia señal para finalizar la transcripción se llama terminador. El largo de ADN que es transcribe en una molécula de ARN se llama unidad transcripcional. ARN polimerasa II se une al promotor Después que la RNA polimerasa se une al promotor, las cadenas de ADN se desenrollan y la polimerasa inicia la síntesis de ARN en el punto de inicio de la cadena molde La polimerasa se mueve en dirección 3’, desenrollando el DNA y alargando el transcrito de ARN 5’→3’ inmediatamente después de la transcripción, las cadenas de ADN vuelven a formar una doble hélice. Finalmente se libera el transcrito de ARN y se despega la polimerasa del ADN. Síntesis de un transcrito de ARN (en mas detalle) Las 3 etapas de la transcripción son: Iniciación Alargamiento Terminación Unión de la ARN polimerasa y la iniciación de la transcripción Los promotores indican el punto de inicio de la transcripción y usualmente se extienden varias docenas de pares de nucleótidos hacia arriba (“upstream”) del punto de inicio. Factores de transcripción permiten la unión de la ARN polimerasa y la iniciación de la transcripción.  El ensamblaje completo de los factores de transcripción y la unión de la ARN polimerasa II al promotor se conoce como el complejo de iniciación transcripcional. Un promotor llamado caja TATA (TATA box) es crucial para la formación del complejo de iniciación en los eucariotas. Es la secuencia de acoplamiento del factor de transcripción Incluyen la caja TATA, una secuencia de nucleótidos que contiene TAT, ubicada a unos 25 nucleótidos en dirección 5’ desde el punto de inicio transcripcional (por convención, se presentan las secuencias de nucleótidos como aparecen en la cadena no molde) Varios factores de transcripción, uno desde los cuales reconoce la caja TATA, se deben unir al ADN antes de que pueda hacerlo la ARN polimerasa II. Otros factores de transcripción (violeta) se unen al ADN junto con la ARN polimerasa II, formando el complejo de iniciación de la transcripción. Luego se desenrolla la doble hélice del ADN, y comienza la síntesis de ARN en el punto de inicio sobre la cadena molde. Alargamiento de la cadena de ARN A medida que la ARN polimerasa II se mueve a lo largo del DNA, va desenrollando la doble hélice, 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 ARN polimerasas. Los nucleótidos son añadidos al extremo 3′ de la molécula creciente de ARN. Terminación de la Transcripción El mecanismo de terminación es diferente en bacterias (procariotas) que en eucariotas. En procariotas: la polimerasa detiene la transcripción al final del terminador y el ARNm puede ser traducido sin modificaciones. En eucariotas: la RNA polimerasa II transcribe la secuencia señal de poliadenilación; el transcrito de ARN es liberado 10–35 nucleótidos después de la secuencia de poliadenilación. Células eucariotas modifican el ARN luego de la transcripción Enzimas en el núcleo eucariota modifican el preARNm (procesamiento de ARN) antes de que el mensaje genético salga del núcleo al citoplasma. Durante el procesamiento del ARN, ambos terminales del transcrito primario son alterados. También, usualmente ciertas secciones internas de la molécula son cortadas y las partes remanentes son empalmadas. Alteración de los extremos del ARNm Cada extremo de la molécula del pre-ARNm es modificado de forma particular El extremo 5′ recibe un nucleótido modificado 5′ cap (casquete 5’) El extremo 3′ recibe una cola de poliadeninas (Cola de poli-A) UTR- son partes del mARN que no serán traducidas en proteína pero tienen otras funciones como la casquete 5’ unión con el ribosoma  Las modificaciones a los extremos del mARN tienen varias funciones: Facilitan la exportación del ARNm al citoplasma Protegen el ARNm de enzimas hidrolíticas Ayudan al ribosoma a unirse al extremo 5′ Genes interrumpidos y empalme de ARN La mayoría de los genes eucariotas y sus transcritos de ARN tienen regiones largas no codificantes de nucleótidos que se hallan entre regiones codificantes. intrones - regiones no codificantes. exones - regiones codificantes, se llaman así porque son eventualmente expresadas, usualmente traducidas en secuencias de aminoácidos. Regiones del DNA (eucariota) que codifican para una cadena polipéptida.  Exones regiones codificantes regiones no codificantes La edición del ARN (splicing) remueve los intrones y une los exones, creando una molécula de ARNm con una secuencia contínua codificante.  En algunos casos, el empalme (acoplamiento) de ARN es realizado por un espliceosoma. Espliceosoma consiste de una variedad de proteínas y varias ribonucleoproteínas pequeñas (snRNPs) que reconocen los sitios empalmados. Los ARNs del espliceosoma también catalizan la reacción de empalme Ribozimas En algunos organismos el corte y empalme se puede producir sin proteínas o moléculas de ARN adicionales. En RNA intrón actúa como un a ribozima catalizando su propia escisión. Son moléculas catalíticas de ARN que funcionan como enzimas y pueden empalmar el ARN.  Tres propiedades del ARN le permiten funcionar como una enzima: 1. Puede formar una estructura tridimensional por su habilidad de parearse con el mismo. 2. Algunas bases de ARN contienen grupos funcionales que pueden participar en catálisis. 3. El ARN puede formar puentes de hidrógeno con otros ácidos nucleicos. La importancia funcional y evolutiva de los intrones ¿Cuales son las funciones biológicas de los intrones y el corte y empalme del ARN? El corte y empalme es necesario para que paso del mARN del núcleo al citoplasma.  En células eucariotas algunos genes pueden codificar para más de un tipo de polipéptido, dependiendo de cuales segmentos sean tratados como exones durante el proceso de empalme (empalme alternativo de ARN). ej. las diferencias sexuales en las moscas fruteras se deben en gran medida a las diferencias en como los machos y las hembras cortan y empalman el ARN transcrito de ciertos genes. Consecuentemente, la cantidad y el número de distintas proteínas que un organismo puede sintetizar es mucho mayor que el número de sus genes.  Las proteínas regularmente tienen una arquitectura modular que consiste de regiones discretas llamadas dominios. En muchos casos, distintos exones codifican para los diferentes dominios en una proteína. El barajeo de exones (“exon shuffling”) puede resultar en la evolución de nuevas proteínas. Traducción: es la síntesis de un polipéptido dirigido por ARN La información genética fluye del ARNm a proteína a través de la traducción Componentes moleculares de la Traducción Una célula traduce el mensaje de ARNm en una proteína con la ayuda del ARN de transferencia (ARNt). Los ARNts transfieren aminoácidos al polipéptido creciente en un ribosoma. La traducción es un proceso complejo en términos de su bioquímica y mecánica. A medida que una molécula de ARNm se mueve a través del ribosoma , se traducen los codones en aminoácidos. Los intérpretes son moléculas de ARNt, cada tipo con un anticodón específico en un extremo y un aminoácido correspondiente en el otro. Un ARNt añade su carga de un aminoácido a una cadena polipeptídica en crecimiento cuando el anticodón se une a un codón complementario sobre el ARNm. La estructura y función de los ARN de transferencia (ARNt) ARNt (ARNs de transferencia) llevan los aminoácidos al ribosoma. Las moléculas de ARNt no son idénticas. Cada una carga un aminoácido específico en un extremo. Cada una tiene un anticodón en el otro extremo; el anticodón parea con el codón complementario en el ARNm.  Una molécula de ARNt consiste de una hebra sencilla de RNA que es solo de aproximadamente 80 nucleótidos. La molécula del ARNt parece un trébol. Pero debido a la presencia de puentes de hidrógeno, el ARNt se gira y dobla en una molécula tridimensional. por lo cual, ARNt tiene forma de L  La traducción precisa requiere 2 pasos: 1. Primero: un pareo correcto entre un ARNt y un aminoácido, hecho por la enzima aminoacilARNt sintetasa. el sitio activo de la enzima aminoacilARNt sintetasa encaja con una combinación específica de aminoácido y ARNt. existen 20 sintetasas diferentes una para cada aminoácido. 2. Segundo: un pareo correcto entre el anticodón del ARNt y el codón del ARNm. Ribosomas Los ribosomas facilitan el acoplamiento específico de los anticodones del ARNt con los codones del ARNm en la síntesis de proteínas. 2 subunidades ribosomales están hechas de proteínas Subunidad mayor y de ARN ribosomal (ARNr): Subunidad grande(mayor) Subunidad pequeña (menor) Eucariotas se elaboran en el nucléolo, y una vez formadas se exportan al citoplasma a través de los poros Subunidad menor nucleares. Ribosoma  Los ribosomas bacterianos y eucariotas son similares en estructura y función, pero tienen diferencias significativas: los eucariotas son mas grandes difieren en su composición molecular ej. algunos antibióticos (ej. tetraciclina) específicamente atacan ribosomas bacterianos sin dañar los eucariotas. Ribosoma tiene un sitio de unión para el ARNm 3 sitios de unión para el ARNt. 1. El sitio P- (Sitio de unión del peptidil- ARNt) contiene el ARNt que lleva la cadena polipéptida en crecimiento. 2. El sitio A-(sitio de unión de aminoacil- RNAt) - contiene el ARNt que lleva el próximo aminoácido a ser añadido a la cadena. 3. El sitio E (exit) - es el sitio de salida, donde ARNts descargados abandonan el ribosoma.  Un ARNt encaja en el sitio de unión cuando su anticodón aparea sus bases con un codón de ARNm. El sitio P sostiene el ARNt adherido a la cadena de crecimiento. El sitio A sostiene al ARNt que lleva el próximo aminoácido que se agregará a la cadena. El ARNt descargado sale por el sitio E Construyendo un polipéptido Las tres etapas de la traducción (síntesis de cadena polipeptídica) son: 1. Iniciación 2. Alargamiento 3. Terminación Las 3 etapas requieren “factores” proteicos que ayuden en el proceso de traducción. Energía es requerida para algunos pasos (se obtiene de la hidrólisis de GTP, guanosina trifosfatada). Asociación del ribosoma y la iniciación de la traducción En la iniciación se unen el ARNm, un ARNt con el primer aminoácido y las 2 subunidades ribosomales. Primero, una subunidad ribosomal pequeña se une al ARNm y a un ARNt iniciador especial. Luego la subunidad pequeña se mueve a lo largo del ARNm hasta que llega al codón de iniciación (AUG). Las proteínas llamadas factores de iniciación traen a la subunidad grande para completar el complejo de iniciación de la traducción. Alargamiento de la cadena polipeptídica Durante el alargamiento, los aminoácidos son añadidos uno a uno al terminal carboxilo de la cadena creciente. Cada adición envuelve proteínas llamadas factores de alargamiento y ocurre en 3 pasos: 1. reconocimiento de codones 2. formación de enlace peptídico 3. translocación.  Gasto energético ocurre en el primer y tercer paso. Paso 1- el reconocimiento de codones requiere la hidrólisis de una molécula de GTP (guanosina trifosfatada) que aumenta la precisión de y eficiencia de este paso Paso 3- otro GTP se hidroliza para proporcionar la energía del paso de traslocación. La traducción procede a lo largo del ARNm en dirección 5′ → 3′.  El anticodón de un aminoacil ARNt entrante aparea sus bases con el codón complementario del ARNm en el sitio A. La hidrólisis de una molécula de GTP aumenta la precisión y la eficiencia de este paso El ribosoma trasloca el ARNt del sitio A al sitio P. El ARNt vacío en el sitio P se mueve Una molécula de ARNr de la subunidad al sitio E, donde se libera. grande cataliza la formación de un enlace El ARNm avanza con sus ARNt peptídico entre el aminoácido nuevo en el unidos, ubicando el siguiente codón sitio A. para ser traducido en el sitio A. El extremo carboxilo del polipéptido en crecimiento en el sitio P. Este paso fija el polipéptido al ARNt en el sitio A. Terminación de la traducción La etapa final de la traducción es la terminación Ocurre cuando un codón de terminación en el ARNm llega al sitio A del ribosoma. La elongación continua hasta que un codón alcanza el sitio A del ribosoma. UAG,UAA,UGA no codifican aminoácidos sino que actúan como señales de terminación. El sitio A acepta una proteína llamada factor de liberación.  El factor de liberación causa la adición de una molécula de agua en vez de un aminoácido. Esta reacción hidroliza y libera el polipéptido a través del túnel de salida de la subunidad grande del ribosoma. Posteriormente, el ensamblaje de la traducción se separa. Polirribosomas Un solo ribosoma puede producir un polipéptido de tamaño medio en menos de un minuto. Múltiples ribosomas pueden traducir un ARNm formando un polirribosoma (o polisoma). Los polirribosomas se encuentran tanto en células eucariotas como en procariotas. Permiten a la célula hacer muchas copias de un polipéptido bien rápido. Finalización y marcaje de la proteína funcional Usualmente, la traducción no es suficiente para hacer una proteína funcional. Las cadenas polipeptídicas son modificadas luego de la traducción o marcadas en sitios específicos en la célula. Doblaje proteico y modificaciones post traduccionales Durante su síntesis, una cadena polipéptida comienza a enrollarse y a doblarse espontáneamente para formar una proteína – una molécula tridimensional con estructura secundaria y terciaria. Un gen determina la estructura primaria y esta determina consecuentemente, su forma.  Las modificaciones post-traduccionales pueden ser requeridas antes de que la proteína pueda comenzar a ejercer sus funciones celulares. ej. la proteína insulina se sintetiza primero como una sola cadena polipeptídica pero se vuelve activa solamente después de que una enzima corta la parte central de la cadena dejando la proteína constituida por dos cadenas polipeptídicas conectadas por puentes de disulfuro. Marcando polipéptidos en locaciones específicas Dos poblaciones de ribosomas son evidentes en las células: ribosomas libres (en el citosol) y ribosomas unidos (unidos al retículo endoplásmico-RE). Ribosomas libres - principalmente sintetizan proteínas que se disuelven el citosol y funcionan allí. Ribosomas unidos – sintetizan proteínas del sistema de endomembranas (envoltura nuclear, RE, aparato de Golgi, lisosomas, las vacuolas y membrana plasmática) y proteínas que son secretadas de la célula. Ribosomas son idénticos y pueden cambiar de libres a unidos.  ¿Qué determina que un ribosoma se encuentre libre o pegado al RE rugoso en un momento determinado? La síntesis de los polipéptidos siempre comienza en el citosol. La síntesis finaliza en el citosol a menos que el polipéptido le de una señal al ribosoma de unirse al RE. Los polipéptidos destinados al RE o para secreción son marcados por una péptido señal que dirige a la proteína hacia el RE. Una partícula de reconocimiento de señales (PRS) se une al péptido señal. La PRS trae el péptido señal y su ribosoma al RE. Mutaciones de uno o algunos nucleótidos pueden afectar la estructura de la proteína y su función Mutaciones - son cambios en el material genético de una célula o virus. Mutaciones de punto (puntual)- son cambios químicos en un solo par de bases de un gen. El cambio de un solo nucleótido en la hebra molde de ADN puede llevar a la producción de una proteína anormal. Si una mutación tiene un efecto adverso en el fenotipo de un organismo la condición se conoce como un desorden genético o enfermedad hereditaria. Tipos de mutaciones a pequeña escala Mutaciones de punto dentro de un gen pueden dividirse en 2 categorías generales: 1. Sustituciones de par de nucleótidos. 2. Una o mas inserciones o deleciones de par de nucleótidos. Sustituciones Una sustitución de un par de nucleótidos reemplaza un nucleótido y su par con otro par de nucleótidos. Mutaciones silentes no tienen efecto en el aminoácido producido por el codón por la redundancia del código genético. Mutaciones de sentido erróneo codifican para un amino acido, pero no para el correcto. Mutaciones sin sentido cambian un codón que codifica para aminoácido por un codón de terminación, casi siempre causando la formación de una proteína no funcional. Inserciones y Deleciones Inserciones y deleciones son adiciones o pérdidas de pares de nucleótidos en un gen. Estas mutaciones tienen un efecto desastroso en la proteína resultante mas comúnmente que las sustituciones. La inserción o deleción de nucleótidos puede alterar el marco de lectura produciendo una mutación en el marco de lectura. Nuevas mutaciones y mutágenos Mutaciones espontáneas pueden ocurrir durante la replicación del ADN, recombinación, o reparación. Mutágenos son agentes físicos o químicos que causan mutaciones. Resumen Expresión Genética- El ADN controla el metabolismo por células directas para hacer enzimas especificas y otras proteínas. Transcripción- Síntesis de ARN complementario a la hebra molde del ADN. Traducción- síntesis de polipéptido cuya secuencia de amino ácidos es determinada por la secuencia de nucleótidos en el ARNm. Resumen Codones- información genética que es codificada por una secuencia de tripletes de nucleótidos que no se solapan. Deben leerse en el marco de lectura correcto. La síntesis de RNA es catalizada por la ARN polimerasa, la cual une entre sí los nucleótidos de ARN complementarios al DNA de la hebra molde. El promotor incluye la caja TATA en eucariotas; estabiliza donde la síntesis de RNA es iniciada. Los factores de transcripción ayudan a la ARN polimerasa en eucariotas a reconocer la secuencia promotora que forma el complejo de iniciación de transcripción. Resumen Antes de salir del núcleo, las moléculas de ARNm eucariotas se someten al procesamiento del ARN, que incluye empalme de ARN (splicing-remoción de intrones), la adición 5’ cap en el terminal 5’, en adición a la cola de Poly A (poly A- tail) al terminal 3’. Para la traducción se necesitan los siguientes componentes: ribosoma, ARNt, ARNm, amino ácidos y anticodones que sean complementarios a los codones del ARNm. En las mutaciones de punto se cambia un par de bases por otro. Esto puede causar: Mutación silente De sentido erróneo Sin sentido https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA https://www.youtube.com/watch?v=gD80Lku2tMo