Clase 11 URP de Biología Celular y Molecular (PDF)

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Facultad de Medicina Humana CLASE 11: FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA I Paulo César Santayana Rengifo [email protected] Blgo. Blgo.Paulo...

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Facultad de Medicina Humana CLASE 11: FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA I Paulo César Santayana Rengifo [email protected] Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Logro de la sesión Al final de la clase, el alumno será capaz de: Explicar la organización estructural y funcional de la expresión génica. Describir el dogma central de la biología molecular. Explicar el mecanismo y la importancia de replicación del ADN. Explicar el proceso de transcripción con sus diferentes etapas. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Aniridia congénita Es una patología caracterizada por la ausencia total o parcial del iris, está causada mayoritariamente por mutaciones en el gen Paired box-6 (PAX6) que conducen a su haploinsuficiencia (disminución en la dosis génica que provoca la disfunción del factor transcripcional box). Las mutaciones crean un codón de parada prematuro Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Dogma Central de la Biología Molecular El DNA desempeña 2 funciones: replicación y expresión Propuesta inicial de Crick (1970): “Un gen, una proteína” Modificaciones posteriores (virus, priones, ribozimas): “Un gen, varias proteínas” Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo Flujo de la información genética eucariota Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Replicación del ADN La replicación es el proceso mediante ADN original el cual, a partir de una molécula de ADN nuevo DNA doble hélice, se sintetizan dos ADN parental moléculas idénticas. Características: Primera  Semiconservativa replicación  Bidireccional (eucariotas y procariota) y unidireccional (mitocondria, virus y plásmidos)  Semidiscontinua Segunda replicación  Monofocal en procariotas y multifocal en eucariotas  Requiere de cebadores  Ocurre en el período S (Eucariota) Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Replicón Al abrirse la doble hélice se forma una estructura llamada burbuja de replicación o replicón. Cada burbuja, tiene dos horquillas de replicación que a partir de ese punto de origen común avanzan en ambas direcciones opuestas. Hombre: 10 000 a 100 000 orígenes de replicación E. coli: 1 orígenes de replicación Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo La síntesis del ADN procede en dirección 5´→ 3 Cadena líder o adelantada Cadena rezagada o retrasada Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  El ADN es sintetizado por ADN polimerasas La ADN Polimerasa, agrega un nucleótido al grupo hidroxilo 3’ de la cadena de ADN en crecimiento y forma un enlace fosfodiéster con el grupo 5’ fosfato del nucleótido entrante. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Tipos de ADN polimerasas Procariota: Polimerasa I: Actividad polimerasa y exonucleasa 3´-5´ y 5´-3´ Polimerasa II: Actividad polimerasa y exonucleasa 3´-5´ Polimerasa III: Actividad polimerasa y exonucleasa 3´-5´ Eucariota  Polimerasa 𝜶: Sintetiza oligonucleótidos cortos de ADN como parte del iniciador  Polimerasa 𝜷: Reparación del daño  Polimerasa 𝜸: Replicación del ADN mitocondrial  Polimerasa 𝜹: Principal sintetizadora de la cadena rezagada o retrasada  Polimerasa 𝜺: Principal sintetizadora de la cadena líder o adelantada γ, δ y ε : Actúa como una enzima exonucleasas (“autocorrectora”) Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo Proteínas implicadas en la replicación del ADN Requerimientos no proteicos: ADN molde “template” Cebadores Desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTPs) Magnesio Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo Cebadores, iniciador o primers Es una cadena corta de ácido nucleico (~30pb) que sirve como punto de partida para la replicación del ADN. La cadena líder puede extenderse a partir de un solo cebador, mientras que la cadena rezagada necesita un cebador nuevo para cada uno de los fragmentos de Okazaki. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación procariota Video de JoVE 1. Inicio: la proteína DnaA se une al origen de replicación (oriC), seguida por la fijación del complejo DnaC-DnaB (helicasa) que disocia el DNA a la altura de la horquilla. La asociación de la primasa (DnaG) a este complejo forma un primosoma. Tras la síntesis del primer o cebador la primasa se separa. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación procariota 2. Elongación: Tras la iniciación, la ADN polimerasa III se une al primer para sintetizar una nueva cadena, siempre en dirección 5’→3’. Cadena adelantada: la ADN polimerasa procede de forma normal en dirección 5’→3’, sintetizando la cadena completa. Cadena rezagada: la ADN polimerasa va sintetizando fragmentos de Okazaki (5’→3’). Cuando la ADN polimerasa se encuentra con el extremo del siguiente fragmento, elimina el primer y la ADN ligasa une los dos fragmentos en uno solo. Así se logra sintetizar toda la cadena rezagada. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación procariota 3. Término: La terminación de la replicación en procariotas ocurre en una región de 360 Kb. Estos sitios detienen el movimiento de la horquilla por la unión a la proteína Tus, un inhibidor de la DnaB. Una vez que los replisomas alcanzan esta región, se detienen y se desacoplan de la cadena de ADN, liberando así las dos cadenas recién sintetizadas. Dando por terminada la replicación. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación eucariota 1. Inicio: Para iniciar la replicación, el ORC (Complejo de reconocimiento del origen de la replicación) recluta la proteína Cdc6, así como Mcm (complejo de mantenimiento de minicromosomas) y Cdt1 formando un complejo pre- replicativo (pre-RC). Durante la transición a la fase S del ciclo celular, aumentan los niveles de CDK, que a su vez fosforila cdc6 y cdt1, de modo que pierden su afinidad por el complejo y el ADN, y de esa forma la helicasa deja de estar inhibida, abriendo la doble hebra de ADN para que se inicie la replicación. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación eucariota 5´ 3´ 2. Elongación: Tras la iniciación, el ADN polimerasa se une al primer para sintetizar una nueva cadena, siempre Video de JoVE en dirección 5’→3’. Cadena adelantada: la ADN polimerasa 𝜺 5´ procede de forma normal en dirección 3´ 5’→3’, sintetizando la cadena completa. Cadena rezagada: la ADN polimerasa 𝜹 va sintetizando fragmentos de Okazaki. Cuando la ADN polimerasa se encuentra 3´ 5´ con el extremo del siguiente fragmento, elimina el primer y la ADN ligasa une los Complejo de dos fragmentos en uno solo. Así se logra replicación o replisoma sintetizar toda la cadena rezagada. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Etapas de la replicación eucariota 3. Término: La ADN polimerasa (𝜺 y 𝜹) se detiene y libera cuando alcanza el fragmento de ADN sintetizado en el otro replicón. Las enzimas FEN1 (endonucleasa) eliminan los primers que se encuentran al inicio de cada cadena líder y los fragmentos de Okazaki dejando el espacio libre para que la Polimerasa 𝜹 se una al extremo 3' del fragmento de ADN y sintetice la hebra, cerrando el espacio. La mella producida entre estos fragmentos es unida por el ADN ligasa I, permitiendo generar una hebra continua. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Acortamiento de telómeros La replicación del ADN en las eucariotas se va completando hasta llegar al telómero, el extremo del cromosoma. Al eliminar el último primer ARN, la cadena rezagada queda incompleta, ya que la ADN polimerasa no puede completar el vacío por no poder hacerlo en dirección 3'→5'. Esto hace que el telómero se vaya acortando cada vez que la célula se divide, lo que está asociado a procesos de envejecimiento y muerte de la célula. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Características de la replicación Procariota (E. coli) Eucariota (Humano) 42 minutos 8 horas 4 639 221 pares de bases 6.4 mil millones de bases 1.4 mm 2m 1000pb/seg/horquilla 100pb/seg/horquilla 1 oriC 30 000 ARS Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción Síntesis de una cadena de ARN (formación del transcrito de ARN) a partir de la información de una cadena molde de ADN. Propiedades que hacen posible la síntesis del transcrito de RNA: 1. Complementariedad entre bases (A-U, C-G, G-C, T-A) 2. Unión de proteínas especificas al ADN (ARN polimerasa y otras proteínas que actúan como factores de transcripción). Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Complementaridad, dirección y asimetría Complementaridad: La secuencia de bases del ARN es complementaria a la secuencia de la cadena molde o codificadora. Dirección: La polimerasa sintetiza ARN siempre en el sentido 5'→3', es decir el ARN producto de la transcripción crece solamente en esta dirección. Asimetría: Solamente se transcribe de cada gen una de las dos hélices de ADN, la hélice que se toma como molde se la denomina hélice codificadora y la otra hélice estabilizadora. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción Procariota Eucariota El proceso es más simple El proceso es más complejo Se puede transcribir todo el ADN en cualquier Solo se puede transcribir el ADN que constituye la momento eucromatina La mayor parte del ADN genómico no se transcribe Se transcribe la mayor parte del ADN genómico (sólo se transcribe el 35%) El ARN transcrito primario sufre en el núcleo el El ARN transcrito primario es funcional (no precisa proceso de maduración o procesamiento maduración postranscripcional) postranscripcional Los ARNm se empiezan a traducir según van siendo Los ARNm deben ser transportados al citoplasma sintetizados para participar en la traducción Intervienen tres ARN polimerasas diferentes (I, II, Interviene un solo tipo de ARN polimerasa III) que sintetizan los distintos tipos de ARN La transcripción y la traducción son procesos La transcripción y la traducción no son simultáneos procesos simultáneos Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  ARN polimerasa Enzima que cataliza la síntesis de moléculas de ARN a partir de una plantilla de ADN. No requiere primer (cebador) Procariota Eucariota Tiene un solo tipo de ARN polimerasa, Tiene tres tipos: responsable de la síntesis de todos los ARN polimerasa I: Sintetiza ARNr tipos de ARN. mayores (de 28S, 18S,5.8S). ARN polimerasa II: Sintetiza ARNm, la mayoría de ARNsn, ARNsno, ARNsi, ARNlcn y la ARN telomerasa. ARN polimerasa III: Sintetiza ARNt, ARNr 5S, algunos ARNsn. CTD Video de JoVE Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo Etapas de la transcripción 1. Reconocimiento 2. Inicio 3. Elongación 4. Término Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en procariotas 1. Reconocimiento: Para el inicio de la transcripción se necesita que el factor σ (sigma) esté unido al núcleo central de la ARN polimerasa, para que pueda reconocer las secuencias promotoras, que son los lugares de comienzo de la transcripción. Unión débil de la ARN polimerasa a la cadena de ADN y consecuente desplazamiento en búsqueda del promotor. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en procariotas 2. Inicio: Detección de las secuencias –35 y –10 (promotores) por la subunidad σ. Proceso rápido, que forma el complejo promotor cerrado (ADN sin desenrollar). La ARN polimerasa comienza a separar las dos hélices por la región -10 (rica en pares AT). La separación involucra 17 bases. Formación del complejo promotor abierto (muy estable) e inicio de la transcripción. Tras la polimerización de 6 a 10 nucleótidos la subunidad σ se separa de la holoenzima y va en busca de nuevos promotores, mientras que el núcleo de la polimerasa sigue añadiendo nucleótidos. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en procariotas 3. Elongación: La burbuja de transcripción (ARN polimerasa, ADN molde y ARN naciente) se desplaza a lo largo de la molécula de ADN. La ARN polimerasa tiene una La continua apertura por pobre actividad nucleasa y delante y cierre por detrás su tasa de error es de de la burbuja, generan 1/𝟏𝟎𝟒 𝐚 𝟏𝟎𝟓 bases. superenrollamiento el cual es disipado por acción de la topoisomerasa II. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en procariotas 4. Término: Se pueden dar por dos mecanismos distintos: Terminador intrínseco Terminador dependiente de Rho La transcripción de ARN forma un bucle de horquilla Para la terminación se requiere un polipéptido típico, seguido de una secuencia de aproximadamente llamado factor Rho. seis residuos de Uracilo (U). El factor Rho se una al ARN transcrito en una secuencia La región poli-U indica a la enzima central que específica denominada sitio Rut que se encuentra abandone el dúplex de ADN, provocando la antes del sitio de terminación e interactúa con la terminación de la transcripción. enzima central para provocar la terminación. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas Transcripción en eucariotas es más compleja: La transcripción tiene lugar en el núcleo La cromatina que contiene la secuencia promotora tiene que ser accesible a la maquinaria de transcripción Se utilizan 3 tipos de RNA polimerasa Participan numerosos factores de transcripción El ARN mensajero sufre un extenso mecanismo de procesamiento y maduración Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas En eucariotas los nucleosomas reprimen la transcripción de todos los genes. Sólo los genes activados son transcritos. Activación de genes para la transcripción: 1. Unión del promotor al aparato básico de transcripción: Intervención de factores de transcripción. 2. Acción de coactivadores: Comunicación entre RNA Pol II y los transactivadores. 3. Acción de transactivadores: Unión a secuencias potenciadoras (Enhancers) Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas 1. Reconocimiento: Se inicia con la unión del factor TFIID, TFIIA y TFIIB al promotor de la caja TATA. Este complejo proteico recluta a la ARN polimerasa II que está unida al factor Video de JoVE TFIIF, quienes a su vez reclutan a los factores TFIIE La ARN polimerasa II y de TFIIH para formar el no es capaz de complejo cerrado de reconocer a los transcripción. promotores. Necesita factores de transcripción para la iniciación (TFII). Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas 2. Inicio: El Dominio Carboxilo Terminal (CTD) de la polimerasa II es fosforilado, permitiendo dar inicio a la transcripción. La fosforilación del CTD promueve la separación de la ARNpol II del promotor. Video de JoVE Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas 3. Elongación: Se da la síntesis de la cadena continúa del ARN mensajero (ARNm) en dirección 5‘→3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARNm una caperuza de metil-GTP en el extremo 5‘. Capping del ARNm (Residuo de 7-metilguanosina (m7G)) Funciones: Permite la distinción con otros ARN Permite el procesamiento y transporte fuera del núcleo Confiere estabilidad Permite alinear sobre el ribosoma durante la traducción Caperuza Evita que el extremo 5´sea digerido por nucleasas 7-metilguanilato (m7G) Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Transcripción en eucariotas 4. Término: La endonucleasa reconoce la secuencia TTATTT, que determina el final de la transcripción y la separación de la cadena de pre-ARNm recién sintetizado de la hebra molde de ADN. El pre-ARNm que transporta esta señal en forma de AAUAAA se rompe por una endonucleasa que reconoce la señal y corta entre 11 y 30 residuos hacia el extremo 3´. Poliadenilación del ARNm Se añade una cola poli-A de 100 a 200pb mediante una polimerasa especial que no esta dirigida por un molde, el ARNm al añadírsele la cola poli-A es llamado ARN precursor. La cola poli-A, se mantiene en el ARNm que se exporta al citoplasma. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  ARN mensajero (ARNm) ARNm procariota Policistrónico: El ARN sintetizado contiene información de varios genes. ARNm eucariota Monocistrónico: El ARN sintetizado contiene información de un único gen. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo ARN mensajero en procariotas y eucariotas Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Actividad complementaria 11 (aula virtual) Video de refuerzo académico. Responda las preguntas en el foro: a) ¿Qué proteína es la responsable de la síntesis de la cadena complementaria en la replicación del ADN y cuantos tipos existen en las células eucariotas? b) ¿Cómo se llaman los fragmentos sintetizados en la cadena rezagada y porqué se forman? Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo  Bibliografía sugerida  Karp G. Biología Celular y Molecular. Conceptos y Experimentos. 7a ed. Bogotá: Editorial Mc Graw-Hill; 2014.  Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff J, Roberts M, Walter P. Biología Celular y Molecular. 6a ed. Barcelona: Ediciones Omega; 2016.  De Robertis E, Hib J. Biología Celular y Molecular. 16a ed. Buenos Aires: Editorial Promed Hipocrático; 2012.  Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser C, Krieger M, Scott M, Zipursky L, Darnell J. Biología molecular y celular. 5a ed. Médica Panamericana; 2005.  TODAS LAS FIGURAS, GIFS, VIDEOS HAN SIDO RECOPILADOS DE LA WEB CON FINES NETAMENTE EDUCATIVOS.  PROHIBIDO LA PUBLICACIÓN NO AUTORIZADA DE ESTE CONTENIDO. Blgo. Blgo.Paulo PauloCésar CésarSantayana Rengifo Santayana Rengifo